nghiên cứu nâng cao hiệu suất thiết bị chưng cất nước bằng năng luợng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN THÁI DUY

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT THIẾT BỊ
CHƯNG CẤT NƯỚC BẰNG NĂNG LUỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 4 1 3 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ
TRẦN THÁI DUY

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT THIẾT BỊ CHƢNG CẤT
NƢỚC BẰNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204
Hướng dẫn khoa học:
TS. HOÀNG AN QUỐC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC
Họ và tên: TRẦN THÁI DUY
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 09/09/1986
Nơi sinh: Đồng Nai
Quê quán: Huế
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: SN 133, khu I, ấp Hiệp Tâm I, thị trấn Định
Quán, huyện Định Quán, Đồng Nai.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng: 0906799008
Fax:
Email:
II. QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ …./…. đến …./….
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. ĐẠI HỌC
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 03/2009
Nơi học (trường, thành phố): Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật HCM
Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp
Tên đồ án: Biên soạn giáo trình và câu hỏi trắc nghiệm môn công nghệ nhiệt
luyện

Ngày và nơi bảo vệ luận án:
Người hướng dẫn: Trần Thế San
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
2009 đến nay
Trường THPT Tân Phú,
Giảng dạy
huyện Định Quán, Đồng Nai

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố
trong bất kì công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2013

Trần Thái Duy

ii


CẢM TẠ

Đề hoàn thành luận văn thạc sỹ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của

bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng
hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận
văn thạc sĩ.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS. Hoàng An Quốc, người đã hết lòng
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này. Xin gửi lời tri
ân nhất của đối đối với những điều thầy đã dành cho tôi.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy cô trong bộ môn khoa
Công Nghệ Chế Tạo Máy trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tận tình truyền đạt
những kiến thức quý báu cũng như mọi diều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu cho đến khi thực hiện xong đề tài luận văn.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã khong ngừng động
viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực
hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị và bạn bè đồng
nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suố thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện
đề tài luận văn thạc sỹ một cách hoàn chỉnh
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2013
Học viên. Trần Thái Duy

iii


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Việt Namlà một đất nướccó tiềm năngcao củanăng lượng mặt trời, chưng cất nước
ngọtbằngcáchsửdụngnăng lượng mặt trờilàmột cáchđầyhứahẹncho sự phát
triểnbềnvữngvì năng lượngđược sử dụng làmiễn phí và khôngcóhạicho môi
trường.Trong luận văn này,mộtthiết bịchưng cấtnước ngọtsửdụngmột bộ thunăng
lượng mặt trờikiểu paraboltập trungđãđượcnghiên cứuthực nghiệm. Hệ thốngthử
nghiệmbao gồmmột bộ thunăng lượng mặt trời kiểu paraboltập trung có đường

kính 1,6mvà chiều sâu 0,5m. Bề mặt phản xạparabol được làm bằng
Inoxcóthểphảnánhbức xạ mặt trời. Tại tiêu điểmcủaparabolgắn một thiết bị chưng
cấtnước ngọt.Thiết bịchưng cấtnước ngọtsửdụngbộ thunăng lượng mặt trời kiểu
paraboltập trungđược thiết kế và thử nghiệmtheo các điều kiệnđịa phương
củaĐịnhQuán, tỉnhĐồng Naitrong những ngàytừ13/6/2012đến30/11/2012. Thí
nghiệm đoảnh hưởng củabức xạ mặt trờivà công suấtcủa thiết bị. Lượng nước ngọt
thu được từ thiết bị nàycóthểnằm trong khoảngtừ6đến8L/ngàytrong điều kiệnbình
thườngtừ7h00 đến16h00.

iv


ABSTRACT
Vietnam is a country with a high potential of solar energy, distilling freshwater using
solar energy is a promising way to sustainable development since the energy used is free
and not harmful for the environment. In This thesisthe freshwater distillation equipment
using a parabolic concentrated solar collector has been experimentally studied. The
experimental system consists of a parabolic concentrated solar collector with 1.6 m
diameter and 0.5 m depth. The material of reflective surface’s parabolic collector is Inox,
so that they can reflect solar radiation. At the focal point of parabolic collector mount the
freshwater distillation equipment. Performance of the freshwater distillation equipment
using a parabolic concentrated solar collector is tested under the local conditions of Định
Quán, Đồng Nai province during the days from 13/6/2012 to 30/11/2012. The experiment
shows that, the influence of the solar radiation on a capacity of the equipment. The
capacity of this equipment can range from 6 to 8 L/day of fresh water in normal
conditions from 7h00 to 16h00.

iv

MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ........................................................................................................ i
Lời cam đoan ............................................................................................................ ii
Lời cảm ơn ............................................................................................................... iii
Tóm tắt nội dung luận văn ....................................................................................... iv
Mục lục ..................................................................................................................... v
Danh sách các chữ viết tắt ....................................................................................... vi
Danh sách các bảng ................................................................................................ vii
Danh sách các hình ................................................................................................ viii
Chương 1.TỔNG QUAN ......................................................................................... 5
Chương 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 23
Chương 3.TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................. 46
Chương 4.THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ......................................................... 58
Chương 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO

v


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

cp

Nhiệt dung riêng của nước (J.kg-1.K-1)

Qs

Nhiệt lượng cần thiết đun sôi nước (W)

Qbh

Nhiệt lượng cần thiết để nước bay hơi (W)

r

nhiệt ẩn hóa hơi.(J/kg)

Qu

Năng lượng sử dụng (W)

Ql

Năng lượng thất thoát (W)

Ql-DL

Nhiệt lượng thất thoát đối lưu (W)

Ql-BX

Nhiệt lượng thất thoát bức xạ (W)

Qp

Năng lượng đến bộ tập trung parapol (W)

Ar

Diện tích bề mặt hấp thụ bức xạ (m2)

k

Hệ số đối lưu

Tr

nhiệt độ của nồi (oC)

Ta

Nhiệt độ môi trường (oC)

ξ

Hệ số phát xạ toàn phần của vật thực

α

Hằng số stefan-Boltzamn

Aa

Diện tích khẩu độ parapol (m2)

Da

Đường kính Parapol (m)

vi


Ib

Cường độ bức xạ mặt trời trung bình (W/m2)

Ψrim

Góc phản xạ giới hạn của tia tơi bức xạ mặt trời

h

Chiều cao của Parapol (m)

f

Tiêu cự Parapol (m)

F

Tiêu điểm Parapol (m)

vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Quỹ đạo chuyển động của trái đất quanh mặt trời

6

Hình 1.2: Các vùng trên trái đất

6

Hình 1.3. Quang phổ bức xạ mặt trời

8

Hình 1.3 : Thiết bị chưng cất nước dạng bị động

20

Hình 1.4 : Thiết bị chưng cất nước dạng bị động

20

Hình 1.5: Thiết bị chưng cất dùng bấc

21

Hình 1.6.: Thiết bị chưng cất dạng bậc thang

21

Hình 1.7: Thiết bị chưng cất dạng chủ động

24

Hình 1.8.: Chưng cất nước với bộ thu hình cầu

25

Hình 2.1: Đường cong parapol

28

Hình 2.2: Các đường parapol có cùng khẩu độ và tiêu điểm F

29

Hình 2.3: Hình parapol tròn xoay

31

Hình 2.4: Phản xạ của tia sáng khi tới gương parapol

41

Hình 2.6. Các bọt hơi hình thành tại tâm sôi

43

Hình 2.7. Ngưng giọt và ngưng màng

45

Hình 3.1. Hình dạng của chảo parapol sau khi chế tạo

52

Hình 3.2: Cấu tạo nồi chưng cất hơi nước được ngưng bên trong ống đồng

53

vii


Hình 3.3. Nồi chưng cất hơi nước được ngưng bên trong ống đồng
sau khi chế tạo

53

Hình 3.4. Cấu tạo nồi chưng cất cho hơi nước ngưng
phía ngoài ống đồng dẫn nước

56

Hình 3.5: Nồi chưng cất cho hơi nước ngưng tụ
phía ngoài ống đồng giải nhiệt sau khi chế tạo

56

Hình 4.1: Bức xạ mặt trời theo thời gian các giờ trong ngày

60

Hình 4.2: Bức xạ mặt trời trong khoảng thời gian 10h00’ đến 11h00’

61

Hình 4.3: Lượng nước chưng cất thu được trong từng giờ của mô hình 1

62

Hình 4.4: Tổng lượng nước thu được của mô hình 1

62

Hình 4.5: Lượng nước chưng cất thu được trong từng giờ của mô hình 2

63

Hình 4.6: Tổng lượng nước thu được của mô hình 2

64

Hình 4.7. Thời gian đun sôi 1,2 lít nước lúc bức xạ mặt trời 800 (W/m2)

66

Hình 4.8: Biểu đồ ảnh hưởng của lượng nước với hiệu suất thiết bị trong
1 giờ (10h-11h).

67

Hình 4.9: Nhiệt độ nước trong quá trình chưng cất

68

Hình 4.10: Ảnh hưởng của lưu lượng làm mát đối nhiệt độ nước đầu ra và
lượng nước cất thu được của mô hình 2 khi thí nghiệm trong điều
kiện bứcxạ 750-800(W/m2).

69

vii


DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG

TRANG

Bảng 1.1: Sự phân bố quang phổ chiếu của mặt trời ngoài bầu khí quyển

7

Bảng 3.1: Thông số kích thước nồi chưng cất nước:

47

Bảng 3.2: Cường độ bức xạ mặt trời trong ngày

48

Bảng 3.3: Thông số kích thước của bộ tập trung Parapol

52

viii


Luận Văn
Chƣơng 1:

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nguồn năng lƣợng mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên rất lớn, có ở khắp nơi mà con
người đã biết ứng dụng từ lâu đời, nó là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối
với sự tồn tại và sự phát triển của sự sống trên trái đất. Tuy nhiên, sự khai thác
nguồn tài nguyên này hãy còn nhiều hạn chế. Với sự tiêu thụ năng lượng ngày càng
gia tăng, nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt người ta buộc phải tìm
nguồn năng lượng bổ sung như năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng
lượng sinh học… Một trong các nguồn năng lượng được các nhà nghiên cứu trên
thế giới rất quan tâm là năng lượng mặt trời, tuy là loại năng lượng siêu sạch, vô
tận và ở đâu cũng có nhưng ứng dụng trên quy mô lớn thì không dễ vì nó có những
đặc điểm riêng.
1.1.1. Mặt trời.
Mặt trời là quả cầu có đường kính 1,39 x 106 km, có nhiệt độ rất cao, ở vùng trung

tâm mặt trời có xảy ra các phản ứng nhiệt hạch nên nhiệt độ đạt đến hàng chục
triệu độ. Nhiệt độ hữu hiệu ở bề mặt ngoài mặt trời khoảng 5762o K, quang phổ
bức xạ mặt trời gần giống với quang phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt
độ.
Trái đất có đường kính 1,27 x 104 km, khoảng cách trung bình giữa mặt trời và
trái đất là 1,50 x 108 km, khoảng cách xa nhất của mặt trời với trái đất là vào ngày
21/6 (hạ chí) là 95,9 x 106 miles, khoảng cách ngắn nhất vào ngày 21/12 (đông chí)
là 89,83x106 miles, như vậy khoảng cách giữa mặt trời và trái đất thay đổi trong
khoảng 150 x 106 km ±1,7%.

5


Luận Văn
Trái đất quay xung quay mặt trời trên một mặt phẳng elip gọi là mặt phẳng hoàng
đạo, trái đất quay quanh mặt trời 1 vòng là 365 + 1/4 ngày, quỹ đạo chuyển động
của trái đất quanh mặt trời gọi là đường hoàng đạo.
Trái đất vừa quay quanh mặt trời trên đường hoàng đạo đồng thời vừa xoay
quanh trục của nó nghiên với mặt phẳng hoàng đạo một góc là 23,50, mỗi vòng
quay quanh trục của nó là là 24h. Sơ đồ nguyên lý chuyển động của trái đất quanh
mặt trời và tự xoay quang trục của nó thể hiện hình 1.1.

Hình 1.1. Quỹ đạo chuyển động của trái đất quanh mặt trời

Do trái đất vừa chuyển động xoay
quanh trục của nó vừa quay quanh
mặt trời nên bức xạ mặt trời chiếu
trên các vùng trên bề mặt trái đất
cũng khác nhau.
Từ hình 1.1 ta cũng nhận thấy vào

các ngày 21/3 (ngày xuân phân) và
ngày 21/9 (ngày thu phân) mặt trời
chiếu thẳng vào xích đạo, còn ngày
Hình 1.2: Các vùng trên trái đất

6


Luận Văn
21/6 (ngày hạ chí) mặt trời chiếu thẳng vào chí tuyến bắc, còn ngày 21/12 (ngày
đông chí) mặt trời chiếu thằng vào chí tuyến nam. Như vậy các vùng có vĩ độ trên
23,50 mặt trời không bao giờ qua đỉnh đầu lúc 12h.
1.1.2. Quang phổ bức xạ mặt trời
Vì nhiệt độ của bề mặt trời rất cao (57620K) nên mặt trời phát ra bức xạ vào vũ
trụ theo tất cả các phương, 99% năng lượng bức xạ tập trung trong dãi quang phổ
có bước sóng 0,2≤λ≤3 μm, khả năng bức xạ đơn sắc đạt cực đại ứng với bước sóng
λm= 0,5 μm. Trong thành phần quang phổ bức xạ mặt trời: Tia tử ngoại (λ=4x10-3 –
0,38 μm ) chiếm 8,7% dãi ánh sáng (λ = 0,38 – 0,76 μm) chiếm khoảng 44,6%, dải
hồng ngoại (λ=0,76 -103 μm) chiếm 45,4%.
Bảng 1.1 cho chúng ta thấy tình trạng phân bố quang phổ chiếu của bức xạ mặt
trời ngoài bầu khí quyển.
Bảng 1.1 : Sự phân bố quang phổ chiếu của mặt trời ngoài bầu khí quyển
Dải quang phổ

Khoảng bước sóng Cường

độ Tỉ lệ % tổng xạ

chiếu, W/m2
6,978 x 10-5

Tia vũ trụ
Tia x

Đến 1,0 nm

6,978 x 10-7

Ngoài tia tử ngoại

Đến 2,0 nm

6,978 x 10-4

Tử ngoại C

0,2 – 0,28 μm

7,864 x 10-6

0,57

Tử ngoại B

0,28 – 0,32 μm

2,122 x 101

1,55

Tử ngoại A

0,32 – 0,4 μm

8,073 x 101

5,90

Khả kiến - A

0,4 – 0,52 μm

2,240 x 102

16,39

Khả kiến - B

0,52 – 0,62 μm

1,827 x 102

13,36

Khả kiến – C

0,62 – 0,78 μm

2,280 x 102

16,68

Tia tử ngoại

Tia sáng nhìn thấy

Hồng ngoại tuyến

7


Luận Văn
Hồng ngoại – A

0,78 – 1,4 μm

4,125 x 102

30,18

Hồng ngoại – B

1,4 – 3,0 μm

1,836 x 102

13,43

Như vậy từ bảng 1.1 ta nhận thấy, trong dãi quang phổ từ 0,20 – 3 μm, tổng lượng
bức xạ chiếm 98,07%, còn phần năng lượng chiếm với λ>3 μm là rất nhỏ. Còn

trong dải quang phổ 0,40 ≤λ≤3,0 μm, tổng năng lượng chiếm 91,04%, đặc điểm
quang phổ này liên quan chặt chẽ với tính năng sử dụng năng lượng mặt trời sau
này.
Quang phổ bức xạ mặt trời ngoài bầu khí quyển thể hiện trên đồ thị quang phổ
bức xạ như hình 1.3

Hình 1.3.Quang phổ bức xạ mặt trời
Cường độ bức xạ mặt trời chiếu đến 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ phía
ngoài bầu khí quyển là Ib=1367±7W/m2 được gọi là hằng số bức xạ mặt trời. Nếu
xem mặt trời là một vật đen tuyệt đối có đường kính là D=1,395 x 106 km thì diện
tích bề mặt mặt trời là 6,131 x 1018 m2, do đó năng lượng bức xạ từ bề mặt mặt trời
phát ra tứ phương sẽ là:
(5,67 x 10-8) x (6,131 x 1018) x 57624 = 3,832 x 1026 W

8


Luận Văn
Trái đất có bán kính r=6436 km, khoảng cách giữa mặt trời và trái đất R=150,6 x
106km , do đó phần năng lượng chiếu lên bề mặt ngoài của lớp khí quyển sẽ đến trái
đất:

 r2
 .64362

 4,56 108%
2
2
2
4 R

4 (150, 6 10 )
Tỷ lệ này rất nhỏ so với so với tổng năng lượng bức xạ trên bề mặt mặt trời về số
lượng khoảng:
8,832 x 1026 x 4,56 x 10-8% = 17,48 x 1016 W
Tuy nhiên nó vẫn là nguồn năng lượng khổng lồ so với như cầu năng lượng tiêu dùng
trên trái đất.
Vì đây là nguồn năng lượng tái sinh, siêu sạch, khổng lồ nên được nhiều nhà nghiên
cứu trên thế giới quan tâm tận dụng ở nhiều góc độ khác nhau, ví dụ về khía cạnh hiệu
ứng quang điện, người ta nghiên cứu chế tạo các pin mặt trời có giá thành thấp, hiệu
suất cao để sán xuất ra năng lượng tiêu dùng, về hiệu ứng quang nhiệt người ta nghiên
cứu để sản xuất nước nóng, sản xuất nước ngọt từ nước biển, sấy, sưởi… và mục đích
cao nhất là sản xuất điện năng, hiệu ứng quang hợp và quang hóa cũng được quan tâm
mạnh mẽ, đặc biệt là ở những nước có kỹ thuật và công nghệ cao.
Về khía cạnh khác năng lượng bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất có tính phân tán,
thay đổi theo thời gian và thất thường cho nên cũng có những nhà nghiên cứu thử
nghiệm theo hướng sử dụng năng lượng mặt trời phía ngoài vũ trụ. Đã có những đề án
tính toán, thử nghiệm sản xuất điện năng bằng cách lắp ráp ngoài khoảng không vũ trụ
một hệ thống pin mặt trời có diện tích lớn (ở phía ngoài vũ trụ, cường độ bức xạ mặt
trời ổn định không có ngày đêm với hằng số mặt trời Is =1367W), năng lượng thu được
sẽ chuyển thành bước sóng ngắn truyền về trái đất, trái đất tiếp thu chuyển thành năng
lượng thông dụng. Cũng có những đề án phóng và lắp ráp ngoài vũ trụ ba hệ thống
gương phản xạ quay theo quỹ đạo khác nhau tính toán trước để phản xạ về một vùng
nhất định trên trái đất (mỗi gương phản xạ chiếu trong 8h như vậy vùng này sẽ được

9


Luận Văn
chiếu nắng suốt 24h và các thiết bị sản xuất điện năng sẽ được đặt tại đấy để ứng
dụng…

Tuy nhiên, việc ứng dụng khai thác nguồn năng lượng này đang còn dừng ở mức độ
nhất định vì cần phải có kỹ thuật cao, kinh phí đầu tư nghiên cứu và giá cả cạnh tranh
được trong sản xuất điện năng… nghĩa là tương lai rất sáng sủa nhưng cần phải có
thời gian.
1.1.3. Lịch sử các gian đoạn phát triển ứng dụng năng lƣợng mặt trời.
Về lịch sử, con người đã biết ứng dụng năng lượng mặt trời từ hơn 3000 năm trước.
Hằng trăm năm trước công nguyên, người Trung Quốc đã biết chế gương cầu lỏm
bằng cách đánh bóng để lấy lửa từ năng lượng mặt trời, Archimet đã biết tập trung
vài trăm gường đồng đánh bóng để tập trung năng lượng mặt trời đốt cháy chiến
thuyền giặc… Tuy nhiên, việc biến nguồn năng lượng mặt trời thành nguồn năng
lượng chính thống và cung cấp động lực để sử dụng chỉ khoảng 400 năm gần đây.
Căn cứ trên việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời như là một nguồn năng
lượng và cung cấp động lực, các nghiên cứu và ứng dụng phân quá trình phát triển
và ứng dụng năng lượng thành tám giai đoạn:
1- Giai đoạn 1: 1615 – 1900
Có thể xem đây là giai đoạn lịch sử cận đại, mỗi giai đoạn được đánh dấu bằng
một số công trình đặc trưng. Ví dụ, năm 1860 công trình sư người Pháp chế tạo
bếp mặt trời dùng gương phản xạ parpol cùng cho quân đội Châu Phi, chế tạo
máy phát động lực công suất 1,6Hp, chế tạo máy phát động hơi nước dùng năng
lượng mặt trời cho máy in …. Và một số công trình khác.
2- Giai đoạn 2: 1901 – 1920
Trọng điểm của các nhà nghiên cứu trên thế giới chủ yếu tập trung vào hệ thống
thiết bị động lực dùng năng lượng mặt trời nhưng phương thức tập trung rất đa
dạng.Bắt đầu sử dụng collector mặt trời dạng tấm phẳng với các môi chất có
điểm sôi thấp.Quy mô thiết bị càng lớn, công suất tối đa đạt đến 73,55kW, giá

10


Luận Văn

trị sử dụng tăng lên tuy nhiên giá thành còn cao. Năm 1901, người Mỹ chế tạo
thành công thiết bị bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời, gương phản xạ tự
động điều chỉnh theo phương vị mặt trời được ứng dụng công suất là 7,36kW.
Năm 1902 – 1908, các nhà nghiên cứu Mỹ đã chế tạo 5 hệ thống phát động
lực dạng piston, dùng môi chất là NH3 và một số lãnh chất khác sôi ở nhiệt độ
thấp kết hợp với collector mặt trời dạng tấm phẳng. Năm 1913, với sự hợp tác
nghiên cứu của nhiều nhà chế tạo một hệ thống phát động lực công suất 5,4 x
104 W với 5 bộ phản xạ ánh sáng dạng gương parapol máng, mỗi hệ thống
gương dài 62,5m, rộng 4m, tổng diện tích là 1250m2…
3- Giai đoạn 3: 1921-1945
Do nhiên liệu hóa thạch được khai thác với sản lượng lớn, đồng thời bị ảnh
hưởng của chiến tranh thế giới thứ 2 nên giai đoạn này có thể xem là thoái trào
của việc nghiên cứu và số đề tài nghiên cứu cũng giảm đi rất nhiều,
4- Giai đoạn 4: 1946 – 1965
Hai mươi năm sau kết thúc chiến tranh thế giới thứ 2, các nhà nghiên cứu lại tập
trung chú ý vào khai thác sử dụng dầu mỏ, khí thiên nhiên. Nhu cầu sử dụng
năng lượng trên thế giới tăng rất nhanh, trong khi đó nguồn năng lượng hóa
thạch ngày càng cạn kiệt, khó đáp ứng lâu dài, do đó còn người đã sớm chuẩn bị,
tìm kiếm một nguồn năng lượng mới và rất coi trọng khai phá nguồn năng
lượng mặt trời. Trong giai đoạn này, các nhà khoa học đã có sự hợp tác về nhiều
mặt, đi sâu nghiên cứu về cơ sở lý luận và chế tạo vật liệu mới phù hợp cho việc
ứng dụng năng lượng mặt trời.Giai đoạn này cũng đã tìm ra vật liệu lớp phủ hấp
thụ chọn lọc, các trung tâm nghiên cứu năng lượng mặt trời cấp quốc gia đã
thành lập để hợp tác lực lượng nghiên cứu và trang bị đầy đủ hơn. Tháng
10/1954, Ấn Độ thành lập hiệp hội nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời, là
tiền thân Hiệp hội ứng dụng năng lượng mặt trời ngày nay (ISES), tháng
12/1955, Mỹ đã mở hội nghị triển khai lớn về ứng dụng năng lượng mặt trời, có

11

Luận Văn
hơn 37 quốc gia tham gia và hơn 3 vạn khách tham quan. Năm 1955, nhà bác
học Tabor và một số cộng sự lần đầu tiên đề xuất cơ sở lý luận về bề mặt hấp
thụ quang phổ có tính chọn lọc, phát hiện nguyên lý hồ mặt trời… Năm 1960,
người mỹ chế tạo máy lạnh hấp thụ NH3-H2O dùng collector phẳng phục vụ cho
điều hòa không khí với năng suất 5 tấn lạnh…ngoài ra còn nhiều công trình
nghiên cứu khác được thực hiện trong giai đoạn này.
5- Giai đoạn 5: 1966 – 1973.
Công tác nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời trong giai đoạn này bị đình
trễ, sự tiến triển rất chậm, nguyên nhân chủ yếu là kỹ thuật sử dụng năng lượng
mặt trời chưa thành thạo, còn trong giai đoạn trưởng thành, các thiết bị năng
lượng mặt trời kích thước quá lớn, hiệu suất thấp…nên khó cạnh tranh với
nguồn năng lượng truyền thống. Chính vì vậy nó rất khó phổ cập đại trà, đồng
thời không được các công ty lớn và chính phủ trọng thị.
6- Giai đoạn 6: 1973 – 1980
Tháng 10/1973 xảy ra chiến tranh trung cận đông khiến cho dầu mỏ trở thành
vũ khí, sản lượng dầu giảm, giá cả tăng nên ảnh hưởng không nhỏ đến nền kinh
tế của các quốc gia phát triển. Điều này một cách khách quan khiến người ta
nhận thức rằng cơ cấu của nguồn năng lượng hiện thời cần được cải biến, nhanh
chóng hướng tới nguồn năng lượng mới để bổ sung kịp thời. Trong giai đoạn
này, rất nhiều các quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển tăng cường sự ủng hộ
đối với việc sử dụng năng lượng mặt trời. Trên phạm vi toàn thế giới, lại bộc
phát phong trào khai phá sử dụng năng lượng mặt trời. Trong giai đoạn này có
những đặc điểm sau:
a. Các quốc gia tăng cường quy hoạch công tác nghiên cứu sử dụng năng lượng
mặt trời, không ít các quốc gia đã đặt các kế hoạch ngắn hạn và dài hạn về
vấn đề này chính phủ cũng rất quan tâm tạo điều kiện. Hợp tác quốc tế cũng
tăng vọt, chuyên gia nghiên cứu cũng có sự nghiên cứu cũng có sự hợp tác

12


Luận Văn
chặt chẽ trên nhiều lĩnh vực, tăng cường giao lưu trao đổi kinh nghiệm qua
các cuộc hội thảo quốc tế.
b. Lĩnh vực nghiên cứu không ngừng mở rộng, công tác nghiên cứu ngày càng
đi vào chiều sâu, qua đó đã thu được một số thành quả quan trọng. Ví dụ:
phản quang tập trung năng lượng, ống nhiệt mặt trời chân không, hệ thống
sử dụng năng lượng mặt trời để phát điện…
c. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phổ cập hóa, nhiều công
trình quy mô lớn bắt đầu hoàn thành.
7- Giai đoạn 7: 1981 – 1991
Trong giai đoạn này, sự phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời có phần giảm
sút, nhiều quốc gia giảm kim nghạch nghiên cứu trong đó Mỹ là nước đột xuất
nhất. Nguyên nhân chủ yếu chủ yếu dẫn đến tình trạng này là do: giá dầu mỏ
giảm, trong khi đó giá thành thiết bị năng lượng mặt trời còn quá cao, năng
lượng nguyên tử phát triển tương đối mạnh dẫn đến sự hạn chế này. Tuy nhiên,
việc nghiên cứu ứng dụng mặt trời trong giai đoạn này có phần bị hạn chế
nhưng không gián đoạn và cũng đạt được những thành quả nhất định. Ví dụ:
1981 – 1991 đã thiết lập được 22 trạm phát điện công suất trên 500kW, 1985 –
1991 Mỹ đã đưa vào hoạt động nhà máy phát điện mặt trời dạng nhiệt điện tổng
dung lượng đạt 354MW, nhiều công trình lớn khác cũng đang phát triển.
8- Giai đoạn 8: từ năm 1992 đến nay
Sự tiêu hao năng lượng hóa thạch để thỏa mãn nhu cầu năng lượng quá lớn đã
gây ảnh hưởng đến ô nhiễm tác hại môi trường không nhỏ, thế giới đã có những
cuộc hội nghị để đánh giá và hạn chế ảnh hưởng này.
Công nghệ nguyên tử nhiều ưu điểm nhưng đồng thời cũng bộc lộ nhiều
nhược điểm chết người khó khắc phục và để lại hậu quả lâu dài…những sự cố
lớn về nhà máy nguyên tử liên tiếp xảy ra gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến

nhiều quốc gia khiến các nước phải có sự đánh giá lại về nguồn năng lượng sử

13


Luận Văn
dụng trong tương lai, trong đó nguồn năng lượng mặt trời rất được coi trọng
trong việc đầu tư quy mô về nghiên cứu cơ bản về lý thuyết và thiết bị.
Đặc điểm của quá trình nghiên cứu trong giai đoạn này là:
a. Nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với việc bảo vệ môi trường
b. Với sự phát triển khoa học công nghệ toàn diện trong giai đoạn này như
công nghệ vật liệu, công nghệ chế tạo, máy tính, dụng cụ đó và tự động
hóa,..đã tạo điều kiện cho công tác nghiên cứu ứng mặt trời nâng lên tầm
mới. Đề tài và quy mô rất đa dạng và có chiều sâu hơn, hiệu suất thiết bị
được nâng cao, giá thành sản phẩm giảm nên việc sử dụng phổ cập có phần
thuận lợi.
c. Nhiều nước phát triển đã tăng cường kinh phí cho nghiên cứu về năng lượng
mặt trời, hợp tác quốc tế mở, quy mô lớn được tăng cường nhằm vào ứng
dụng công nghiệp. Chính vì vậy, giai đoạn này cũng đã thu được các kết quả
nghiên cứu có hiệu quả to lớn, đạt nhiều hy vọng mới cho tương lai.
1.1.4 Vai trò và đặc điểm của năng lƣợng mặt trời.
Con người đã biết sớm ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời, nhưng được coi
là nguồn năng lượng được thác để cung cấp động lực thì chỉ gần đây.
Ứng dụng năng lượng mặt trời là lĩnh vực quan trọng trong việc khai phá, lợi
dụng nguồn năng lượng tự nhiên này. Căn cứ vào phương thức chuyển đổi năng
lượng, việc ứng dụng nghiên cứu này dựa trên bốn phương thức cơ bản gồm có:
- Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt năng (dựa trên hiệu ứng quang
nhiệt)
- Chuyển đổi thành điện năng trực tiếp (hiệu ứng quang điện)
- Chuyển đổi thành hóa năng (hiệu ứng quang hóa)

- Hiệu ứng quang hợp
Tùy theo phương thức sử dụng mà thiết bị cũng khác nhau. Đặc điểm của nguồn
năng lượng mặt trời là:

14


Luận Văn
-

Nguồn năng lượng này có tính phổ biến: Bất kì ở đâu cũng có nguồn năng lượng
mặt trời, nó không cần sự vận chuyển đến đấy là một đặc điểm vô cùng quan
trọng

-

Nguồn năng lượng vĩnh cửu: Vì nó là nguồn năng lượng tái sinh liên tục ổn định

-

Nó là nguồn năng lượng cực lớn: Như chúng ta đều biết, nguồn năng lượng bức
xạ chiều đến trái đất rất lớn, nó có thể tái sinh liên tục. Ngoài ra, nếu khai thác
nguồn năng lượng này ở ngoài bầu khí quyển thì có thể xem là vô tận

-

Nó là nguồn năng lượng siêu sạch: Nguồn năng lượng này không phải do đốt
nhiên liệu tạo nên, do đó không có bụi, các khí độc hại và các vấn đề khác.
Nhìn chung, nguồn năng lượng này rất hấp dẫn, tuy nó cũng có những nhược

điểm riêng cho nên việc khai thác không phải dễ:
-

Nguồn năng lượng có tính phân tán: Như chúng ta đều biết, cường độ bức xạ
mặt trời trên 1m2 bề mặt không lớn (tố đa khoảng 1000 W/m2 vào khoảng 11
giờ - 13 giờ), nó thay đổi liên tục trong ngày từ sáng đến chiều, thay đổi theo
mùa trong năm… và nhiều điều kiện khác nên rất khó khai thác để trở thành
nguồn động lực. Thiết bị ứng dụng năng lượng mặt trời muốn có công suất lớn
phải có diện tích thu năng lượng mặt trời lớn nên hiệu suất thấp, giá thành sản
xuất cao, bảo trì phức tạp, thiết bị phơi ngoài trời nên chịu ảnh hưởng tác động
rất lớn của môi trường…

-

Nguồn năng lượng không ổn định: Nó thay đổi liên tục theo thời tiết trong
ngày, ban đêm không có năng lượng này, ngoài ra nó còn thay đổi theo địa
hình…
Do vậy, muốn ứng dụng năng lượng mặt trời để trở thành nguồn năng lượng

chính thống tạo nên động lực không phải đơn giản, nó đòi hỏi sự phát triển công
nghệ toàn diện như công nghệ vật liệu, công nghệ chế tạo… và nhiều điều kiện
khác.

15


Luận Văn
1.2.

Tổng quan chung chƣng cất mƣớc bằng năng lƣợng mặt trời

1.2.1. Tổng quan về vai trò của nƣớc sạch.
Nước tồn tại trong mọi hình thức sống, tất cả các sinh vật sống đều chứa nước
trong cơ thể: cơ thể con người bao gồm 60% lượng nước, con cá chứa khoảng 80%
và thực vật chứa khoảng 80% - 90%. Nước cũng cần thiết để xảy ra các phản ứng
hóa học giữa các tế bào sống và trong môi trường nước các tế bào này mới được
hình thành.Nước cần thiết để cho vấn đề sản xuất lương thực bền vững. Cũng như
tất cả hệ sinh thái sống, sự phát triển của con người cũng dựa vào chu kì thủy văn.
Nước bao phủ 70% diện tích toàn cầu. Hơn nữa, hơn 97% nước này (nước mặn và
không phù hợp cho tưới tiêu) nằm ở đại dương. Nước ngọt chỉ có 3% của tổng số
nước trên hành tinh chúng ta.Trong tỉ lệ thấp này, sông hồ chỉ chiếm 0.3%, phần
lớn còn lại lưu trữ ở các mũ cực và sông băng.Bể nước ngọt phân bố không đều
trên bề mặt toàn cầu.Ví dụ như các quốc gia phương tây có trữ lượng nước ngọt rất
lớn mà dân số lại ít.Trong khi đó một số đảo, quốc gia nhiệt đới thì thiếu nước
trầm trọng kết hợp với việc tăng trưởng dân số nên vấn đề nước sạch càng ngày
càng khó khăn.Điều này chứng tỏ phân phối nước trên toàn thế giới và nước uống
chưa tương xứng với nhu cầu của từng vùng.
Theo báo cáo năm 2007 của tổ chức y tế thế giới, hiện có 1,1 tỷ người không
được tiếp cận được với nguồn nước uống sạch tiêu chuẩn, 88% trong số 4 tỷ ca
bệnh tiêu chảy hằng năm có nguyên nhân do nước không an toàn và thiếu vệ sinh,
và 1.8 triệu người chết vì bệnh tiêu chảy mỗi năm . WHO ước tính rằng 94% các
ca tiêu chảy có thể ngăn ngừa thông qua việc cải tạo môi trường, bao gồm tiếp cận
các nguồn nước na toàn.
Nước sạch là một vấn đề lớn, có tính toàn cầu, đặc biệt là đối với những nơi khan
hiếm nước như các vùng sa mạc, vùng hải đảo, vùng núi cao, nới hẻo lánh hay
những địa phương có nguồn nước bị ô nhiễm nặng.

16