Tính Toán Thiết Kế Thiết Bị Cung Cấp Hơi Nước Sử Dụng Năng Lượng Mặt Trời (Kèm Bản Vẽ )

Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
Đề mục

Trang

Trang bìa............................................................................................................................i
Nhiệm vụ đố án
Lời cảm ơn........................................................................................................................ii
Tóm tắt.............................................................................................................................iii
Mục lục.............................................................................................................................iv
Danh sách hình vẽ............................................................................................................vi
Danh sách bảng biểu.......................................................................................................vii
CHƯƠNG 1:MỞ ĐẦU................................................................................................1
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................3
2.1.Vị trí,kích thước và cấu trúc mặt trời..............................................................3
2.2.Nguồn bức xạ mặt trời.....................................................................................4
2.3.Cường độ bức xạ mặt trời................................................................................6
2.3.1.Cường độ bức xạ mặt trời chiếu tới một điểm............................................6
2.3.2.Cường độ bức xạ mặt trời lúc vào khí quyển..............................................7
2.4.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ mặt trời....................................................8
2.4.1.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ ngoài khí quyển:.................................8
2.4.2.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ trong khí quyển...................................8
2.5.Lập công thức tính nhiệt độ cân bằng cho vật thu..........................................9
2.6.Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời.....................................................10
2.6.1.Ưu điểm....................................................................................................10
2.6.2.Nhược điểm..............................................................................................10
2.6.3.Một vài biện pháp khắc phục các nhược điểm.........................................10
2.7.Nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam.......................................................11

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời

iv


Đồ án tốt nghiệp

Bùi Hữu Đăng-03N1

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN THIẾT BỊ SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.............................................................12
3.1.Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời......................................12
3.2.Thiết bị cung cấp hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
dùng bộ thu tập trung.....................................................................................19
3.2.1.Tổng quan về bộ tập trung năng lượng mặt trời dùng Gương Scheffler
và các ứng dụng........................................................................................19
3.2.2.Mô tả hệ thống và Sơ đồ nguyên lí...........................................................28
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT HƠI NƯỚC
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG BỘ THU TẬP TRUNG......29
4.1.Tính toán thiết kế bộ thu tập trung...............................................................29
4.2.Tính toán thiết kế bộ sinh hơi.......................................................................32
4.2.1. Lượng nhiệt nhận được từ mặt trời.........................................................34
4.2.2. Lượng nhiệt để tăng nội năng của kim loại chế tạo bộ sinh hơi.............34
4.2.3.Lượng nhiệt để tăng nội năng của nước..................................................35
4.2.4.Nhiệt để hóa hơi......................................................................................35
4.2.5.Nhiệt để tăng nội năng lượng nước bổ sung............................................36
4.2.6.Tổn thất nhiệt ra môi trường do dẫn nhiệt qua vách trụ..........................36
4.2.7.Tổn thất nhiệt ra môi trường do bức xạ nhiệt...........................................36
4.2.8.Phương trình cân bằng nhiệt....................................................................37
4.3.Tính toán thiết kế lắp đặt toàn bộ hệ thống..................................................43

4.4.Phương án chế tạo hệ thống thiết bị.............................................................47
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.............................................................48
5.1.Kết quả thực nghiệm.....................................................................................48
5.2.Kết luận........................................................................................................51
Tài liệu tham khảo...........................................................................................................51

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời

v


Đồ án tốt nghiệp

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2-1.Phân bố năng lượng bức xạ mặt theo λ..................................................5
Hình 2-2.Sự truyền bức xạ Et trong khí quyển.....................................................7
Hình 3-1.Hệ thống Pin mặt trời...........................................................................12
Hình 3-2. Hệ thống gương Parabol trụ................................................................13
Hình 3-3. Hệ thống trung tâm..............................................................................13
Hình 3-4.Hệ thống gương Parabol tròn xoay......................................................14
Hình 3-5.Tháp năng lượng mặt trời.....................................................................14
Hình 3-6.Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời.................................................15
Hình 3-7.Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời......................................................15
Hình 3-8.Thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời......................................16
Hình 3-9.Bơm Stirling dùng năng lượng mặt trời...............................................17
Hình 3-10.Thiết bị sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời.....................17
Hình 3-11.Thiết bị sản xuất nước đá dùng năng lượng mặt trời.........................18
Hình 3-12.Vị trí gương trên Parabol tròn xoay...................................................19
Hình 3-13.Thay đổi góc nghiêng theo mùa.........................................................20
Hình 3-14.Sự khác nhau của tiêu điểm parabol

do sự thay đổi tia nắng theo mùa........................................................21
Hình 3-15.Cơ cấu điều chỉnh...............................................................................23
Hình 3-16. Mô hình thực tế.................................................................................25
Hình 3-17.Phụ nữ Tilonia tham gia chế tạo gương.............................................25
Hình 3-18.Tác giả Wolgang Scheffler và nghiên cứu của mình........................26
Hình 3-19.Sơ đồ nguyên lí hệ thống...................................................................28
Hình 4-1.Hình dạng và cách chế tạo khung gương Scheffler.............................30
Hình 4-2.Một số hình ảnh thực tế sau khi đã chế tạo hoàn chỉnh gương...........31
Hình 4-3.Cấu tạo bộ sinh hơi...............................................................................32
Hình 4-4.Kích thước chính của bộ sinh hơi........................................................33
Hình 4-5.Đồ thị biểu diễn lưu lượng hơi G theo thời gian τ...............................42
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời


Mở đầu
Hình 4-6.Đồ thị thời gian theo nhiệt độ t............................................................43
Hình 4-7.Đồ thị nhiệt độ của nước theo thời gian τ............................................44
Hình 4-8.Quỹ đạo mặt trời đo được ở vài ngày cụ thể.......................................45
Hình 4-9.Sơ đồ bố trí Gương Scheffler và Bộ sinh hơi......................................47
Hình 5-1.Bố sinh hơi chế tạo thử........................................................................49
Hình 5-2.Bố trí lắp đặt.........................................................................................50
Hình 5-3.Độ tăng áp suất hơi theo thời gian.......................................................51
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 4-1.Các đại lượng cho.................................................................................38
Bảng 4-2.Các đại lượng tính toán........................................................................39
Bảng 4-3.Xác định góc nghiêng và hướng của Gương theo mùa.......................46
Bảng 5-1.Áp suất hơi theo thời gian....................................................................51

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
4

Mở đầu

TÓM TẮT
Việt Nam là một nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn do đó các thiết bị dùng
năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm nghiên cứu và sử dụng.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước dùng chính nguồn năng
lượng này thì chưa được quan tâm. Trong khi đó nhu cầu về sử dụng hơi nước
trong đời sống và công nghiệp là rất lớn.
Đề tài này sẽ trình bày kết quả nghiên cứu, chế tạo thiết bị sản xuất hơi nước dùng
năng lượng mặt trời, kết hợp giữa tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm.
-Tính toán thiết kế bộ thu tập trung (Gương Scheffler) phải đảm bảo:
.Tiêu điểm hội tụ phải được định hình tương đối rõ, ít bị phân tán
.Khoảng cách yêu cầu giữa bộ sinh hơi và gương ;
.Diện tích hứng nắng
-Tính toán thiết kế thiết bị sinh hơi:
.Lập hệ cân bằng, từ đó rút ra phương trình cân bằng nhiệt cho hệ
.Lập được quan hệ giữa lưu lượng hơi G và thời gian τ,
tính toán được khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo lưu lượng hơi G
cũng như khoảng thời gian khởi động của bộ sinh hơi
-Thiết kế lắp đặt hệ thống: làm sao cho mặt phản xạ của gương luôn hướng về
phía mặt trời, hứng hầu hết ánh nắng trực tiếp.
.Xác định hướng đặt và góc nghiêng của gương phù hợp với sự di chuyển
của mặt trời theo mùa.
.Cơ cấu giúp gương luôn xoay theo mặt trời (hoạt động như một chiếc đồng
hồ cơ khí) trong 10h nắng ngày.
-Chế tạo thử 1 bộ sinh hơi mẫu dùng năng lượng mặt trời,
.Tiến hành thí nghiệm, đo đạt
.So sánh đối chiếu với kết quả tính toán lý thuyết; rút ra nhận xét, tiến hành

kiểm tra điều chỉnh lại những tính toán lý thuyết cho hợp lí.

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
5


Mở đầu

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
Hiện nay nhân loại đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu dự trữ như:
than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên...Do đó, đã có nhiều hướng nghiên cứu, tìm kiếm, khai
thác phát triển nguồn năng lượng mới thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống
như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời...
Mặt khác, trong những năm gần đây cả thế giới phải đối mặt với sự suy thoái về
môi trường nghiêm trọng, do sự phát triển của nền công nghiệp và đời sống con người đã
phát thải ra các chất độc hại gây ô nhiễm bầu khí quyển, nguồn nước, thế giới tự
nhiên..Những biến động bất thường của thời tiết, thiên tai, lũ lụt… là những hậu quả mà
con người phải gánh chịu. Vì vậy, thiết yếu cần một nguồn năng lượng mới có thể thay
thế các nguồn năng cũ và phải đảm bảo đủ sạch đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương
lai.
Thế giới đang quan tâm đến hai nguồn năng lượng mới triển vọng là năng lượng
hạt nhân và năng lượng mặt trời (NLMT). Tuy nhiên, để sử dụng được năng lượng hạt
nhân tốn nhiều chi phí, và sẽ rất nguy hiểm nếu xảy ra sự cố, ảnh hưởng to lớn đến môi
trường. Như vậy, NLMT là nguồn năng lượng siêu sạch mà cả thế giới trông đợi.
NLMT thực chất là nguồn nhiệt hạch vô tận mà tự nhiên đã ban phát, hàng năm
trái đất chúng ta nhận từ mặt trời một năng lượng khổng lồ, gấp rất nhiều lần các nguồn
nhiên liệu có trên trái đất. Con người từ rất lâu đã biết sử dụng NLMT vào đời sống
nhưng thực sự ứng dụng nó vào công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì chỉ vào cuối
thế kỉ 18 đa số ở những nước có nhiều NLMT, những vùng sa mạc. Từ sau cuộc khủng
hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được quan tâm nhiều hơn,

nhất là những nước công nghiệp phát triển. Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học
kĩ thuật nhân loại thì con người càng ứng dụng rộng rãi NLMT, những ứng dụng phổ biến
hiện nay là: Nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT, pin mặt trời, thiết bị đun nóng bằng
NLMT, động cơ Stirling bằng NLMT, bếp nấu dùng NLMT, thiết bị làm lạnh và điều hòa

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
6


Mở đầu
không khí dùng NLMT, thiết bị sấy khô dùng NLMT, thiết bị chưng cất nước dùng
NLMT…
Ở Việt Nam, hiện nay cũng đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng những thiết bị dùng
NLMT: Bếp NLMT-bếp tiện lợi được đưa vào sử dụng rấtt hiệu quả ở vùng nông thôn
tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi và đang triển khai cho các ngư dân ven biển để họ có thể
dùng khi ra khơi. Xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu
sinh hoạt văn hóa cho các đồng bào ở vùng sâu vùng xa dưới sự hỗ trợ của một số tổ chức
quốc tế, đã thực hiện thành công. Động cơ Stirling chạy bằng NLMT, hệ thống máy lạnh
hấp thụ cũng được nghiên cứu chế tạo triển khai ứng dụng. Ở các thành phố lớn như Hà
Nội, Đà Nẵng,Thành phố Hồ Chí Minh, hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT ứng
dụng rộng rãi. Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng NLMT để sản xuất hơi nước chưa được quan
tâm nhiều. Trong khi đó nhu cầu về hơi nước cho công nghiệp và đời sống ngày càng cấp
thiết.
Vì vậy, mục đích của đề tài này là: tính toán thiết kế thiết bị cung cấp hơi nước sử
dụng NLMT.

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
7

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 2.

LÝ THUYẾT CHUNG
VỀ NĂNG LƯỢNG TRỜI

2.1.Vị trí,kích thước và cấu trúc mặt trời:
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10 6km (lớn hơn 110
lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn
AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất).
Khối lượng mặt trời khoảng M o = 2.1030kg. Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay
đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15.600.000 K. 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.
Mặt trời được chia ra làm 4 lớp chính:
Trong cùng là nhân mặt trời: bán kính 150.10 3 km, nhiệt độ trung tâm
khoảng (8÷40).106 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không giữ được cấu trúc thông
thường, nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách
biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện
những vụ nổ nhiệt hạch- nguồn năng lượng mặt trời. Đây là một lò phản ứng hạt
nhân: 4 hạt nhân Hydro tạo ra 1 hạt nhân Heli, 2 nơtron và một lượng bức xạ γ.
4H11 → He24 + 2 Neutrino + γ
Vùng bức xạ: bán kính (150÷450).10 3 km, nhiệt độ (4,5÷10).106 K, là nơi
nguyên tử Hydro hấp thụ tia γ và phát bức xạ sóng dài.
Vùng đối lưu: bán kính (450÷700).10 3 km, nhiệt độ 5800÷4,5.106 K, gồm
các dòng đối lưu lên xuống, chuyển nhiệt bức xạ ra bề mặt quan cầu.
Quang cầu: bán kính (700÷703).10 3 km, nhiệt độ 5700÷5800 K, gồm các
bọt khí sôi sục, có chổ tạo ra các vết đen là các hố xoáy có nhiệt độ thấp, cỡ 4500
K, và các tai lửa nhiệt độ (7÷10).103 K.

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
8


Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời
Ngoài ra mặt trời có một lớp sắc cầu dày khoảng 3000 km, tựa như một đám
cháy lớn. Ngoài cùng là vùng nhật hoa, là một tầng mây bụi khí có biên giới không
ổn định.
2.2.Nguồn bức xạ mặt trời:
Về mặt bức xạ nhiệt, mặt trời được coi như một nguồn phát bức xạ hình cầu
chứa nguyên tử Hydro, có đường kính D=1,391.10 9 m, độ đen εo=1 và nhiệt độ bề
mặt To=5762 K.
Năng lượng sinh ra do phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lòng mặt trời được
chuyển ra bề mặt và bức xạ vào không gian dưới dạng sóng điện từ với λ=(0÷ ∞ )m.
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 nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng
0,38÷0,78μm, đó là vùng nhìn thấy của phổ.
Tia Gamma :

λ=5.10-7÷ 10-4 μm

Tia X

:

λ=10-5÷ 10-1 μm

Tia tử ngoại :

λ=10-2 ÷ 0,8 μm

Tia hồng ngoại:

λ=0,8÷103 μm

Tia sóng radar, TV, radio : λ>103μm
Bức xạ nhiệt :

λ=0,4÷400 μm

Năng lượng bức xạ mặt trời truyền ra ngoài có thể coi như là bức xạ của vật đen
tuyệt đối có cùng nhiệt độ. Theo định luật Planck, phân bố cường độ bức xạ đơn
sắc của mặt trời theo λ có dạng:

E 0 λ=

C1
3
C2
 , [W/m ]
eλT −1 

(2.1)


λ5 .



Trong đó: C1 ,C2: các hằng số phụ thuộc đơn vị đo
C1=0,374.10-15 , [W.m2]
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
9


Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời
C2=1,439.10-2 , [m.K]
λ: bước sóng bức xạ mặt trời, m
To: nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt mặt trời, To=5762 [K]
Phân bố cường độ bức xạ đơn sắc của mặt trời theo λ có dạng:
Eoλ=C1λ-5/(exp

C2
-1)
To λ

(2.2)

Cực đại tại bước sóng λm=2,898.103/To=0,5.10-6 [m]

Hình 2-1.Phân bố năng lượng bức xạ mặt theo λ
Cường độ bức xạ toàn phần E o được mô tả bởi diện tích giữa đường cong
Eoλ và trục λ trên đồ thị (λ-Eoλ).Dựa trên đồ thị ta thấy trong bức xạ mặt trời phát ra
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
10


Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

có 48% Eo ở vùng sóng ngắn λ < 3μm, 50% E o ở vùng ánh sáng thấy được
λ=0,4÷0,78 μm.
Cường độ bức xạ đơn sắc cực đại:
Eoλmax = Eoλ(λmTo) =

2,61.10 −18
= 8,35.1013 [W/m3]
λ5 m

Cường độ bức xạ toàn phần theo định luật Stefan-Boltzman:
Eo=σoTo4 =6,25.107 W/m2 với σo=5,67.10-8 [W/m2K4]
Công suất bức xạ:
Qo=FEo= πD 2σ oTo =3,8.1026 [W]
4

Khối lượng mặt trời đo được hiện nay là M=2.10 30 kg. Nếu cho rằng Q o
được duy trì đến khi 10% nhiên liệu H được tiêu thụ, lúc đó khối lượng mặt trời sẽ
giảm một lượng ∆M=10-3M= 2.1027 kg thì tuổi thọ T còn lại của mặt trời được xác
định theo phương trình cân bằng năng lượng:
QoT=∆M.C2

(

∆M .C 2 2.10 27 3.108
Suy ra T=
=
Qo
3,8.10 26

)

2

= 4,7.1018 [s] = 15.109 [năm]

2.3.Cường độ bức xạ mặt trời
2.3.1.Cường độ bức xạ mặt trời chiếu tới một điểm:
Cường độ bức xạ mặt trời chiếu đến điểm M cách mặt trời một khoảng l:
Et=

Eo
Ω , [W/m2]
π

(2.3)

Trong đó:
4
Eo= σ oTo =6,25.107 [W/m2]: Cường độ bức xạ toàn phần của mặt trời

Ω=

πD 2
là số đo góc khối từ M nhìn từ mặt trời.
4l 2
2

D
 , [W/m2]
 2l 

Suy ra Eo = σ oTo 4 

(2.4)

Nếu M là một điểm nằm ở mặt ngoài của trái đất thì l=R=1,495.10 11 [m]:
Bán kính quỹ đạo trái đất hay là khoảng cách từ trái đất đến mặt trời.
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
11


Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời
 1,391.10 9 


11 
8
4  2.1,495.10 
Lúc đó Et = 5,67.10 .5762
= 1353 , [W/m2]

Giá trị Et =1353 [W/m2] có ý nghĩa rất lớn trong thiên văn học, được gọi là
hằng số mặt trời. Et chính là cường độ bức xạ mặt trời đến mặt ngoài khí quyển của
trái đất.
2.3.2.Cường độ bức xạ mặt trời lúc vào khí quyển:
Khi tia bức xạ Et đến khí quyển, một phần nhỏ E t bị phản xạ, phần còn lại
vào khí quyển bị hấp thụ và tán xạ bởi ozon, hơi nước (mây), bụi, trong khí quyển
trong suốt quãng đường l, phần còn lại sau cùng được truyền tới mặt đất gọi là tia
trực xạ Etd.
Nếu coi hệ số phản xạ R=0 thì E td=(1-A)Et. Với A là hệ số hấp thụ phụ

thuộc vào l=H/sinφ, p, T của khí quyển và vào các yếu tố khác của khí quyển như
mây, bụi…
A=f(φ, l, p, T, thành phần tính chất khí quyển)

Hình 2-2.Sự truyền bức xạ Et trong khí quyển

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
12


Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời
Ngoài tia trực xạ, mỗi điểm M trên mặt đất còn được nhận thêm 1 dòng bức
xạ tán xạ do khí quyển và các vật xung quanh truyền tới E T, có trị số khoảng 60
W/m2 trong trời nắng.
Vậy dòng nhiệt bức xạ đến 1m2 mặt thu nằm ngang trên mặt đất là:
Eđ=Et(1-A)cosφ + ET , [W/m2]

(2.5)

Với φ là góc tới tia nắng .
2.4.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ mặt trời:
2.4.1.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ ngoài khí quyển:
Phương trình cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ mặt trời ngoài khí quyển,
lúc ổn định là: năng lượng vật nhận được bằng tổng sự biến đổi nội năng của vật
và sự trao đổi năng lượng của vật ra ngoài môi trường.
-Năng lượng vật nhận được: Ev=A.Et.Ft ,

(2.6)

trong đó:

A: hệ số hấp thụ
Ft: diện tích hứng nắng, bằng hình chiếu của diện tích xung quanh
vật theo hướng tia nắng hay diện tích cái bóng của vật V.
-Sự biến đổi nội năng của vật : ∆U=M.C.(T-Td),

(2.7)

trong đó:
M: khối lượng vật
C: nhiệt dung riêng của vật
T: nhiệt độ của vật lúc đang xét
Td: nhiệt độ ban đầu của vật
-Sự trao đổi năng lượng với môi trường:
+Toả nhiệt ra môi trường bên ngoài (trong chân không bằng 0)
+Sự tự phát xạ của vật: Efx= ε.σo.(T4-Tf4).F ,
trong đó :
ε: độ đen của vật
Tf: nhiệt độ môi trường
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
13

(2.8)


Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời
F: diện tích bề mặt vật
Vậy phương trình cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ ngoài khí quyển:
Ev=∆U+Efx ,

(2.9)

Hay A.Et.Ft=MC(T-Td) + ε.σo.(T4-Tf4).F

(2.10)

2.4.2.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ trong khí quyển
-Năng lượng vật nhận được: Ev= A.Ed.Ft

(2.11)

Với Ed: năng lượng mặt trời truyền đến 1m2 vật thu trong khí quyển .
Ed= Et(1-A)cosφ + ET , W/m2

(2.12)

-Lúc này, ngoài sự biến đổi nội năng, sự tự phát xạ, vật còn trao đổi nhiệt
với môi trường xung quanh. Năng lượng trao đổi là: αF(T-Tf)
Vậy phương trình cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ trong khí quyển là:
A.Ed .Ft=M.C.(T-Td) + ε.σo.(T4-Tf4).F + α.F.(T-Tf)

(2.13)

Ở đây ta chỉ xét một thời điểm xác định nào đó, nếu viết phương trình cân
bằng nhiệt cho vật thu bức xạ nằm trên mặt đất thì ta phải xét đến sự thay đổi tuần
hoàn theo thời gian của trái đất. Trái đất là hành tinh hình cầu, đường kính
d=1,273.107 m, quay quanh mặt trời với quỹ đạo gần tròn bán kính R=1,495.10 11m,
với chu kì 365,25 ngày, đồng thời quay quanh trục nghiêng trên mặt quỹ đạo 1 góc
66o33’ theo chu kì 24 giờ.Trái đất được bao bọc bởi lớp khí quyển có áp suất p
giảm dần với chiều cao h theo luật:
p= po .e

− µgh
RT

2.5.Lập công thức tính nhiệt độ cân bằng cho vật thu
Xét một vật thu năng lượng mặt trời lúc ổn định (∆U=0).Phương trình cân
băng nhiệt có dạng: A.Et.Ft=E.F

(2.14)

Gọi ε ,T là độ đen và nhiệt độ cân bằng trên F thì phương trình trên có dạng:
2

D
A.T .   .Ft =ε.T4.F
 2l 
4
o

(2.15)

Nên nhiệt độ cân bằng của vật hấp thụ bức xạ mặt trời là:

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
14


Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời
1

1

4
2
T=To.  D  . A.Ft  , [K]
 2l   ε .F 

Nếu V là vật xám hình cầu thì:

(2.16)

Ft
πd 2 1
=
=
F 4πd 2 4

1

2
T= 1 T0  D  , [K]
2 l 

(2.17)

Nếu không kể ảnh hưởng của khí quyển, nhiệt độ cân bằng của mặt đất là:
1

9 2
T= 1 5762 1,39.1011  = 278 [K] = 5 [oC]

2
 1,5.10 

Đây là giá trị trung bình của nhiệt độ toàn cầu.
2.6.Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời
2.6.1.Ưu điểm:
Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng không thể thay thế được trên
phương diện là một nguồn năng lượng của phản ứng quang hợp- một quá trình cơ
bản của tự nhiên điều chế các chất hữu cơ.
Năng lượng mặt trời bảo đảm năng lượng cho loài người, hoàn toàn có thể
thỏa mãn các nhu cầu năng lượng trong tương lai.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận của thiên nhiên, hằng năm
mặt trời cung cấp cho trái đất một lượng nhiệt khổng lồ. Ngoài ra nó là một dạng
năng lượng siêu sạch, việc sử dụng nó không dẫn đến ô nhiễm môi trường xung
quanh.
2.6.2.Nhược điểm:
Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng có nhiều ưu điểm nhưng việc sử
dụng nó vẫn chưa được phổ biến rộng rãi. Đó là do bức xạ mặt trời có các đặc
điểm riêng gây khó khăn cho việc tiếp nhận và chuyển đổi nó như:
- Bức xạ mặt trời khá tản mạn, có mật độ (công suất riêng) nhỏ, thay đổi
theo thời gian (ngày, đêm, các mùa…)
-Hiệu suất biến đổi năng lượng của tia sáng mặt trời thành cơ năng, điện
năng bị giới hạn bởi các nguyên lí của vật lí học và nhiệt động học.
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
15


Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời
-Nó còn phụ thuộc vào vị trí địa lí, ở các cực của trái đất thì việc sử dụng
năng lượng mặt trời rất khó khăn.

2.6.3.Một vài biện pháp khắc phục các nhược điểm:
-Để khắc phục nhược điểm bức xạ mặt trời không liên tục, ta sử dụng các
loại ắc quy để thu năng lượng mặt trời hoặc sử dụng năng lượng mặt trời dưới
dạng nhiệt năng.
-Ta có thể đưa các thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời ra ngoài vũ trụ để
tiếp nhận và phát về trái đất dưới dạng sóng điện từ.
-Để khắc phục nhược điểm tản mạn của bức xạ mặt trời ta có thể dùng một
gương hội thụ lớn để có thể thu được năng lượng cần thiết.
Các biện pháp khắc phục trên vẫn còn là cơ sở lí thuyết, việc đưa chúng áp
dụng vào thực tế rất phức tạp, cần phải có sự nghiên cứu chuyên sâu của các nhà
chuyên môn.
2.7.Nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam:
Việt Nam nằm trải dài từ vĩ độ 8 oBắc đến 23oBắc, nằm trong khu vực có cường độ
bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 [kcal/cm 2năm]
(4,2-7,3 [GJ/m2năm]), độ dài của ngày không có biến đổi lớn, khoảng 11 giờ vào
mùa đông và 12 giờ vào mùa hè nên có số giờ nắng lớn. Ở Nam Bộ số giờ nắng
trong ngày có thể đến 8÷9 giờ, mùa đông cũng đạt được 5÷6 giờ. Do đó việc sử
dụng năng lượng mặt trời ở nước ta đem lại hiệu quả kinh tế lớn.
Miền Bắc có tổng số giờ nắng khoảng 1500÷1700 [giờ/năm], tổng lượng
bức xạ khoảng 100÷130 [kcal/cm2năm].
Miền Nam có tổng số giờ nắng khoảng 2200÷2600 giờ, tổng lượng bức xạ
khoảng 110÷150 [kcal/cm2năm].
Các tỉnh ven biển miền Trung có trên 2000 giờ nắng trong năm,ở Tây
Nguyên và các vùng núi cũng đạt trên 1700 giờ.
Thành phố Đà Nẵng nằm sâu trong khu vực nội chí tuyến, số giờ nắng trong
năm khoảng 2000 giờ, độ cao mặt trời quanh năm rất lớn, lượng bức xạ trung bình
hàng năm là 135÷150 [kcal/cm2năm].
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
16

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
17


Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
3.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:
a.Pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ
NLMT qua tế bào quang điện (photovoltaic cell-được
làm từ hợp chất silicon).
Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ
ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực
tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT dưới dạng này được
phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước
phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin
NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng
Hình 3-1.Hệ thống Pin mặt trời

truyền thống.
Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao,

trung bình hiện nay khoảng 5USD/W P, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời

hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng
sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây
dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hoá
của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên.
Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo
như chúng ta.

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
18


Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
b.Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời
Nhà máy này dùng tia bức xạ mặt trời gia nhiệt cho môi chất làm nhiệm vụ tải nhiệt
trong hệ thống để sinh hơi. Hơi sinh ra làm quay tua-bin, chạy máy phát và sinh ra
điện. Về bản chất nhà máy này giống với nhà máy nhiệt điện sử dụng các loại nhiên
liệu hóa thạch truyền thống, chỉ khác là nhiệt được lấy từ bộ thu hấp thụ năng lượng
mặt trời. Tùy thuộc vào nhiệt độ cao cần thiết gia nhiệt cho môi chất mà có 3 loại bộ
thu chính sau:
-Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất
đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400oC.

Hình 3.2: Hệ thống gương Parabol trụ

-Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị
theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ
có thể đạt tới trên 1500oC.

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời

19


Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3-3.Hệ thống trung tâm

Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập
trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên
1500oC.

Hình 3-4.Hệ thống gương Parabol tròn xoay

Hiện nay người ta còn dùng năng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “ tháp
năng lượng mặt trời - Solar power tower “. .

Hình 3-5.Tháp năng lượng mặt trời

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
20


Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
c.Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời
Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh nông nghiệp để sấy các sản
phẩm như ngũ cốc, thực phẩm ... nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lượng sản phẩm.
Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn được dùng để sấy các loại vật liệu
như gỗ.

Hình 3-6.Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời

d.Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như các
nước ở Châu Phi.

Hình 3-7.Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến. Năm 2000,
Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới - Đại học Đà Nẵng đã phối hợp
với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30.000 USD) đưa bếp năng lượng mặt
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
21


Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng
Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng được đông đảo nhân dân ủng hộ. Trong năm
2002, Trung tâm đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng
dụng ở các khu ngư dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng
NLMT .
e.Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
Thiết bị chưng cất nước thường có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23
USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quả
chưng cất kém hơn.

Hình 3-8.Thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước NLMT
dùng để chưng cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch dùng cho sinh hoạt ở
những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cất nước NLMT có gương phản xạ

đạt được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-Trường Đại học Bách khoa
Đà Nẵng.
f.Động cơ Stirling chạy bằng NLMT
Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng được nghiên
cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại. Ở
Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã được nghiên cứu chế tạo để triển
khai ứng dụng vào thực tế. Như động cơ Stirling, bơm nước dùng năng lượng mặt trời.
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
22


Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3-9.Bơm Stirling dùng năng lượng mặt trời

g.Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT
Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước
nóng. Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế
giới.

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
23


Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3-10.Thiết bị sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộng
rãi ở Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng (hình 1.2). Các hệ thống này đã tiết kiệm cho

người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện
chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại.
Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng như trên thế giới
chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt
độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ
cao hơn thì hiệu suất còn thấp.
h.Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT
Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấp
dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt
là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc
Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
24


Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của người dân. Với các máy lạnh
làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic)
là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao.

Hình 3-11.Thiết bị sản xuất nước đá dùng năng lượng mặt trời

Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy
lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên
hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành
còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng
với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp
với yêu cầu thực tế. Ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá
bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng
trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy
lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng.

3.2.Thiết bị cung cấp hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời dùng bộ thu tập
trung:
3.2.1.Tổng quan về bộ tập trung năng lượng mặt trời dùng Gương Scheffler
và các ứng dụng:
Gương phản xạ Scheffler được thiết kế bởi Wolfgang Scheffler vào khoảng năm
1982. Ông là nhà vật lý nổi tiếng-người Áo, ông đã bỏ ra rất nhiều tâm huyết để cải tiến

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời
25