NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG BẾP PARABÔN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG BẾP PARABÔN
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
A STUDY ON THE APPLICATION OF PARABOLIC SOLAR COOKER


HOÀNG DƯƠNG HÙNG
Trường ðại học Bách khoa, ðại học ðà Nẵng


TÓM TẮT
Ngày nay năng lượng mặt trời ñược sử dụng ngày càng nhiều và thay thế dần các nguồn
năng lượng truyền thống ngày một khan hiếm. Việt Nam là nước có nguồn năng lượng mặt
trời rất lớn, do vậy thiết bị năng lượng mặt trời ngày càng ñược quan tâm nghiên cứu sử dụng.
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu triển khai bếp parabôn sử dụng năng lượng mặt trời
dùng cho nấu cơm, nước và thức ăn nhằm góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi
trường.
ABSTRACT
Nowadays, solar energy is increasingly used and gradually replaces conventional limited
energy. Vietnam has a great resource of solar energy, so more and more attention is being
paid to the research and use of solar power equipment. In this article we present the study
results on applying the parabolic solar cooker for rice and cooking and water boiling so as to
save energy and protect the environment.


1. ðặt vấn ñề
Sự thiếu hụt về năng lượng trên toàn cầu ngày càng tăng cùng với việc sử dụng các
nguồn năng lượng truyền thống là vấn ñề ô nhiểm môi trường sinh thái ngày một nghiêm
trọng, do vậy các nguồn năng lượng mới ñã và ñang ñược nghiên cứu sử dụng ngày càng
nhiều nhằm dần dần thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống ngày một khan hiếm.

Việt Nam là một nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn trong lúc ñó các nguồn
năng lượng khác không ñủ cung cấp cho nhu cầu ngày càng tăng của công cuộc công nghiệp
hóa hiện ñại hóa ñất nước. Mặt khác ở các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên cuộc sống của
người dân nông thôn còn nghèo, chất ñốt chủ yếu ñược sử dụng là rơm rạ, than, củi, do ñó vấn
ñề ñốn cây phá rừng làm chất ñốt ngày một gia tăng làm ảnh hưởng ñến môi trường sinh thái
tự nhiên. Do vậy nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ñể nấu cơm, nước và thức ăn
là rất cần thiết và có ý nghĩa rất lớn trong việc góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi
trường sinh thái ở nước ta

2. Nghiên cứu lý thuyết
2.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt ñộng bếp parabôn năng lượng mặt trời
Bếp nấu Parabôn có cấu tạo như hình 1. ðế ñặt nồi (1) làm bằng khung kim loại dẫn
nhiệt tốt, ñế ñược gắn với hệ thống chân ñỡ (nhưng cách nhiệt với hệ thống chân ñỡ), ñế ñặt
nồi có thể ñược ñưa vào ñưa ra và ñưa lên ñưa xuống khỏi tâm của bếp. Nồi chứa thức ăn (2)
là nồi nấu bình thường bên ngoài ñược sơn màu ñen (chọn loại sơn có ñộ hấp thụ cao) ñể có
thể hấp thụ năng lượng mặt trời tốt, khi cần nướng (thịt, cá...) thì có thể thay nồi bằng tấm lưới
Inox, dung tích của nồi tuỳ thuộc vào kích thước của bếp và tuỳ thuộc vào thời gian chúng ta
cần nấu chín thức ăn. Mặt phản xạ (3) làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc Inox) ñánh
bóng nhẵn ñể có ñộ phản xạ cao. Biên dạng của mặt phản xạ là mặt parabôn tròn xoay ñược gá


tựa vào khung như hình vẽ ñể có thể nhận ánh sáng từ mặt trời. Khung ñỡ (4) làm bằng kim
loại, nhựa hoặc gỗ có biên dạng là mặt parabôn tròn xoay ñể có thể gá mặt phản xạ lên trên
khung, khung ñược chế tạo sao cho có thể tháo lắp dễ dàng. Thanh chóng ñiều chỉnh (5) làm
bằng kim loại hoặc gỗ cứng ñể ñiều chỉnh chảo parabôn xoay quanh một trục nằm ngang. Hệ
thống chân ñỡ (6) làm bằng kim loại, nhựa hoặc gỗ có thể dễ dàng tháo lắp hoặc xếp gọn. Vị
trí tâm nồi nấu (ñiểm hội tụ của mặt parabôn) ñược tính toán sao cho nồi ñược ñặt vào trong
lòng của chảo parabôn ñể giảm tổn thất nhiệt do ñối lưu (khi có gió).

2.2. Tính toán thiết kế bếp parabôn năng lượng mặt trời
Bếp gồm chảo parabôn nhận chùm bức xạ nhiệt mặt trời có ñường kính D, mặt phản xạ
parabôn có hệ số phản xạ R, nồi nấu làm bằng Inox sơn ñen có hệ số hấp thụ ε, ñường kính nồi
là d chiều dày δ
o
, có khối lượng
riêng ρ
o
, nhiệt dung riêng C, chiều
cao h. Nồi chứa ñầy nước có nhiệt
dung riêng C
n
khối lượng riêng ρ
n
,
Bếp nấu ñược sử dụng thường vào
buổi trưa (từ 10h ñến 2h) nên cường
ñộ bức xạ trung bình tính toán lấy
tại Thành phố ðà Nẵng và tỉnh
Quảng Nam là 940 W/m
2
. Ta hãy
tính toán kích thước bếp (D) cần
thiết ñể nấu một lượng nước chứa
ñầy trong nồi ñến khi sôi (ñạt nhiệt
ñộ t
s
với nhiệt ñộ môi trường xung
quanh t
o

) trong một khoảng thời
gian τ cho trước nào ñó.
Trong thời gian τ bếp (gồm chảo
parabôn và nồi nấu) sẽ thu từ bức
xạ mặt trời một lượng nhiệt bằng Q
1:
Q
1
= ε.E.F.τ, [J]. trong ñó diện tích
tính F = [F
1
+ RF
2
]
D
d
h

Hình 2. Mô hình tính toán
1
3
4
5
6
2


Hình 1. Cấu tạo bếp Parabôn
1- ðế ñặt nồi
2- Nồi chứa thức ăn

3- Mặt phản xạ
4- Khung ñỡ
5- Thanh chóng ñiều chỉnh
6- Hệ thống chân ñế



Với: - diện tích hứng nắng của nồi F
1
≈ d.h, [m
2
]
- diện tích hứng nắng của mặt parabôn F
2
=
4
2
D
π
- F
1
, [m
2
]
Lượng nhiệt nhận ñược của bếp Q
1
dùng ñể:
- Làm tăng nội năng của nồi U
o
= m

o
.C.(t
s
- t
o
)
-
Làm entanpy của nước I
m
= m
n
.C
n
(t
s
- t
o
)

-
Làm tăng nội năng của ñế nồi U
ñế
(ñế nồi thường làm bằng khung thép nhỏ nên ta bỏ
qua phần này)

-
Tổn thất ra môi trường xung quanh Q
2
trong ñó: m
o

= πd.h.δ
o
.ρ
o
+ 2.δ
o
.ρ
o
.
4
2
d
π
, [kg], m
n
=
4
2
d
π
.h.ρ
n
[kg],
Do bếp ñược cấu tạo như trên nên tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh chủ yếu là do trao
ñổi nhiệt ñối lưu tự nhiên giữa bề mặt xung quanh nồi và không khí ñối lưu xung quanh nên ta
trong trường hợp này ta có thể tính;
Q
2
= α F
xq

(t
s
- t
o
)τ, [J].
Với; - hệ số toả nhiệt ñối lưu tự nhiên α chọn α = 10 W/m
2
ñộ [2]
- diện tích xung quanh F
xq
= πd.h +2.
4
2
d
π
, [m
2
]
Vậy phương trình cân bằng nhiệt cho bếp là:
Q
1
= m
o
.C.(t
s
- t
o
) + m
n
.C

P
(t
s
- t
o
), hay
ε.E.F.τ =(πd.h.δ
o
.ρ
o
+ 2.δ
o
.ρ
o
.
4
2
d
π
) C.(t
s
- t
o
) +
4
2
d
π
.h.ρ
n

C
n
(t
s
- t
o
) + α F
xq
(t
s
- t
o
) τ
Thay các giá trị; E = 940 W/m
2
, ε =
0,9, D = 0,9, R =0,9, δ
o
=0,001m,
ρ
o
= 7850kg/m
3
, t
s
= 100
o
C, t
o
=

30
o
C, C = 460 J/kgñộ, ρ
n
=
1000kg/m
3
, C
n
= 4200J/kgñộ, d =
0,25m, h= 0,2m, ta tính ñược m
=1,75kg m
n
=9,8kg
=> F. τ = 3482 hay (0,7D
2

+0,002).τ = 3486 => D(τ) =
0028,0
.7,0
3486
−
τ

Ta xây dựng quan hệ D(τ) như hình
3. Từ quan hệ này ta có thể tính
ñược ñường kính bếp parabôn D
theo thời gian nấu τ yêu cầu hoặc
ngược lại khi có bếp ta tính ñược
thời gian nấu và công suất của bếp.

Ví dụ: Nếu cần nấu với nồi nấu trên
(chứa 9,8 kg nước) trong thời gian
45 phút = 2700s thì cần bếp có ñường kính D = 1,3m. Ngoài dùng ñể nấu nước nấu cơm bếp
parabôn do có ñộ hội tụ cao nên có thể dùng ñể xào nấu và nướng thức ăn nhiệt ñộ tại tâm hội
tụ có thể lên ñến 450
o
C.
0 1200 2400 3600 4800 6000
1.33
2.67
4
5.33
6.67
8
Thoi gian nau (s)
Duong kinh cua bep parabon (m)
7.056713
0.909505
D τ
.
6 10
3100
τ

Hình 3. ðồ thị quan hệ D(
τ
)

3. Nghiên cứu thực nghiệm
3.1. Chế tạo bếp parabơn
Bộ phận quan trọng nhất của bếp là mặt parabơn phản xạ, nếu sản xuất hàng loạt thì
mặt này tốt nhất là làm bằng nhơm và dập với biên dạng theo u cầu rồi sau đó đánh bóng
mặt trong thật nhẵn và sáng (như gương). Tuy nhiên để chế tạo được như vậy thì cần phái có
các dụng cụ và máy móc chun dụng. Thực tế theo phương pháp tính tốn như phần 2.2
chúng tơi đã chế tạo hàng loạt các bếp parabơn với nhiều loại vật liệu và kích thước khác nhau
để sử dụng trong điều kiện thực tế và kết quả rất phù hợp với tính tốn lý thuyết.
Trong thực tế để đơn giản trong q trình chế tạo và giảm giá thành thiết bị chúng ta có
thể chế tạo mặt parabơn phản xạ theo các cách như; loại bếp có mặt parabơn làm từ các tấm lá
kim loại được đánh bóng hình quạt (hình 4, 5)

500.0
1000.0
1200.0
360.0250.0
o
62.5
f
0
CHỤ :
Cọ thãø chãú tảo màût phn xả theo cạc biãn dảng khạc nhỉng
biãn dảng ca màût phn xả phi cọ dảng:
våïi f l toả âäü ca tiãu âiãøm (tám näưi)
Cạch ghẹp cạc táúm thnh màût phn xả
15
Tám näưi (tiãu âiãøm)
Màût phn xả
x

y
2
4.f
y =
x
Hình 4. Biên dạng mặt parabơn phản xạ.



Hình 5. Ở tâm của tấm hình quạt có thể từ 10
o
÷
15
o





Hình 5. là loại bếp có mặt phản xạ gồm các tấm thép trắng hình quạt có chiều dày
0,5mm ñã ñược ñánh bóng sẵn và ñược ghép ñồng tâm dựa trên một khung có biên dạng
parabôn. Tấm phản xạ còn có thể ñược chế tạo từ các mảnh thép trắng nhỏ (
bằng cách này có
thể tận dụng các mảnh phế thải ñể tiết kiệm) ghép với nhau trên một khung ñịnh hình sẵn theo
biên dạng mặt parabôn sao cho có thể lắp ghép các tấm phả xạ nhỏ ñược dễ dàng (hình 6).
ðể tiện lợi cho việc vận chuyển và tháo lắp (ñi du lịch...) chúng ta có thể chế tạo bếp
gồm nhiều mảnh, hình 7 là loại bếp parabôn 6 mảnh, rất tiện lợi cho lắp ghép và sử dụng ngay
khi cần thiết.

3.2. Triển khai ứng dụng bếp parabôn

Với loại bếp nấu parabôn có ñộ hội tụ cao nên thường ñược dùng ñể chiên, xào nấu
thức ăn ñặc biệt là dùng rán, nướng các loại thực phẩm vì nhiệt ñộ tại tiêu ñiểm có thể ñạt
300÷450
o
C.
Trước lúc nấu thì chúng ta phải chuẩn bị thức ăn trước, cho vào nồi và ñậy nắp lại, ñặt
nồi lên trên ñế ñặt nồi (hình 1), khi muốn nướng (thịt, cá... ) thì thay nồi bằng loại lưới Inox
(hình 14), dịch chuyển hệ thống bếp và ñiều chỉnh góc nghiêng của chảo parabôn (bằng thanh
chống ñiều chỉnh) sao cho nồi có thể nhận ñược nhiều ánh sáng nhất. Tuỳ theo kích thước của
bếp và dung lượng thức ăn trong nồi mà sau thời gian khoảng 30÷60phút thức ăn sẽ chín.

Hình 6. Loại bếp chế tạo từ các mẩu tấm phản xạ nhỏ.



Hình 7. Loại bếp Parabol 6 mảnh