TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.03 MB, 35 trang )

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. MẶT TRỜI VÀ CẤU TẠO MẶT TRỜI

Hình 1.1

Cấu tạo mặt trời

Mặt trời là một khối hình cầu có đường kính 1,390.10 6km (lớn hơn 110 lần đường
kính Trái đất), cách xa trái đất 150.10 6km.Khối lượng Mặt trời khoảng M o= 2.1030 kg.
nhiệt độ trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng 15600000K. Vật chất của mặt trời bao
gồm khoảng 92,1 % là Hydro; 7,8% Heli và 0,1 % là các nguyên tố khác.
Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ:
- Vùng nhân hay “lõi” Mặt trời: nằm ở trong cùng, có bán kính khoảng 150.10 3km,
nhiệt độ trung tâm khoảng 14 đến 20 triệu độ. Ở nhiệt độ như vậy, vật chất không giư
được cấu trúc thông thường, nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tư
chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau se
xuất hiện nhưng vụ nổ nhiệt hạch tạo nên nguồn năng lượng mặt trời. Đây là lò phản ứng
hạt nhân: 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra một hạt nhận Heli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ .
4H11 → He24 +2 Neutrino +

1

(1.1)

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

- Vùng trung gian: còn gọi là vùng “đổi ngược”, bán kính khoảng (150÷450).103 km,

nhiệt độ (4,5÷10).106 K là nơi nguyên tố Hydro hấp thụ tia và phát bức xạ sóng dài. Vật
chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crom (Cr), kền (Ni),
cacbon( C), silic (Si) và các khí như Hydro (H2), heli (He).
- Vùng đối lưu: bán kính khoảng (450 - 700).103 km, nhiệt độ khoảng 5800 4,5.106
K, gồm các dòng đối lưu lên xuống, chuyển nhiệt bức xạ ra xa bề mặt quang cầu.
- Vùng quang cầu: bán kính khoảng (700- 703). 103 km, nhiệt độ khoảng 57005800K, gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp
khoảng 4500K và các tai lưa có nhiệt độ từ 7000- 10000K.
Ngoài ra, Mặt trời còn có một lớp sắc cầu dày khoảng 3000km, tựa như một đám
cháy lớn. Ngoài cùng là vùng nhật hoa, là một tầng mây bụi khí có biên giới không ổn
định.

Hình 1.1.Hình ảnh về mặt trời

1.2. NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI

2

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Về mặt bức xạ nhiệt, mặt trời được coi là một nguồn phát bức xạ hình cầu chứa
nguyên tư Hydro, có đường kính D= 1,391.109 m, độ đen o= 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- ∞)
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
nưa 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 1m 2
bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:
q= D-T Co(To/100)4

(1.2)

ở đây D-T là hệ số góc bức xạ giưa Trái đất và mặt trời
D-T

= 2/4

(1.3)

là góc nhìn mặt trời và 32’ như hình 1.2
Co = 5,67 W/m2.K4 - Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

Mặt trời

Trái đất

Hình 1.2. Góc nhìn mặt trời

3

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
2

Vậy

 2.3,14.32 
4

÷
360.60 
 5762 
2
q=
.5, 67. 
÷ = 1353 W / m 
4
 100 

q gọi là hằng số mặt trời
Do khoảng cách giưa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên

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.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ
và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được
truyền trực tiếp tới bề mặt Trái đất. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt
Trái đất trong nhưng ngày quang đãng ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m 2.
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.
Cường độ bức xạ toàn phần Eo=6,25.107 [W/m2]
Công suất bức xạ toàn phần Qo=Eo.F=3,8.1026 [W]
1.3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH BỨC XẠ MẶT TRỜI
1.3.1. Một số định nghĩa cơ bản:

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất
là quãng đường của nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên 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.
Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một khái niệm như sau :
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 thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ).
Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau 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
một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).

4

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Cường độ bức xạ: (W/m2): 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 cũng bao gồm cường độ
bức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx, cường độ bức xạ quang phổ Eqp.
Năng lượng bức xạ (J/m2): 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 của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định
Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biều kiến của mặt trời trên bầu trời,
với quy ước mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh người quan sát.
Giờ mặt trời là thời gian được sư dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng
nghĩa với giờ theo đồng hồ.
Cường độ bức xạ mặt trời (BXMT) chiếu đến điểm M cách MT một khoảng Et.
Khi tia bức xạ Et đến khí quyển một phần nhỏ Et bị phản xạ, phần còn lại vào khí quyển
bị hấp thụ và tán xạ, phần còn lại sau cùng được truyền tới mặt đất gọi là tia trực xạ.
1.3.2. Bức xạ mặt trời truyền qua kính

Độ hấp thụ, truyền qua và phản xạ của vật liệu là hàm số của bức xạ truyền tới, độ dày và
chỉ số khúc xạ của lớp vật liệu đó. Hầu hết các bộ thu NLMT đề sư dụng kính làm vật
liệu che phủ bề mặt bộ thu vì tính chất quang học ưu việt của nó.
Hiệu ứng lồng kính:
Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích luỹ năng lượng bức xạ của Mặt trời phía dưới một
tấm kính hoặc một lớp kính nào đó.
Có thể giải thích như sau: Tấm kính hoặc lớp khí có độ trong đơn sắc D λ giảm dần khi
bước sóng tăng. Còn bước sóng λm khi Eλ cực đại là bước sóng mang nhiều năng lượng
nhất, thì lại giảm theo định luật Wien λ= 2,9.10-3/T. BXMT phát ra từ nhiệt độ cao, có
năng lượng tập trung quanh sóng λmo= 0,5µm se xuyên qua kính hoàn toàn. Bức xạ thứ
cấp, phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T ≤ 400K, có năng lương tập trung quanh
sóng λm= 8µm hầu như không xuyên qua kính và bị phản xạ lại mặt thu. Hiệu số năng
lượng (vào-ra) > 0, được tích luỹ phía dưới lớp kính làm nhiệt độ tại đó tăng lên.

5

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

1.3.3.Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam
Việt Nam nằm trải dài từ vĩ độ 8 độ Bắc đến 23 độ Bắc, nằm trong khu vực có
cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Nhất là các tỉnh nằm ở khu vực miền Trung có
số giờ nắng cũng như cường độ bức xạ cao là một điều kiện tuyệt vời để sư dụng năng
lượng mặt trời (NLMT) vào sinh hoạt và sản xuất.
Theo kết quả của trạm Khí tượng thuỷ văn Trung Ương với mã số 52C-01-01a thì
ta có bảng số liệu:

Bảng 1.1. Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm
Vùng
lãnh thổ

Cường độ bức xạ
Tên địa phương

trung bình
(kWh/ngày)

(kWh/năm)

3,91

1.427

4,44

1.549

4,80

1.799

5,61

2.084

4,59

1.675

Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc, Đồng

1

bằng sông Hồng đến Vinh -Nghệ An
Vùng núi Tây Bắc, Thanh Hóa, Hà

2

Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị
Thừa Thiên Huế, ven biển Đà Nẵng
đến Phú Yên, Kon Tum, Gia Lai,

3

miền Đông Nam Bộ, TP. Hồ Chí
Minh,
Đồng
bằng
sông
Cưu Long
Đắc Lắc,
Lâm
Đồng,
Khánh
Hòa,

4

Ninh Thuận, Bình Thuận, Bà Rịa
Trung bình cả nước

6

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của 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.
Quan hệ giưa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định theo phương trình sau:
ng

0

E = E (1+0,033 cos

360n
365

2

), W/m

(1-2)

ng

Với E : là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức
xạ vào ngày thứ n trong năm.
1.4. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.4.1. 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 hưu cơ.
Năng lượng mặt trời bảo đảm năng lượng cho loài người, hoàn toàn có thể thỏa mãn
các nhu cầu năng lương trong tương lai.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận của thiên nhiên, hàng năm mặt trời
cung cấp cho trái đất một lượng nhiệt khổng lồ. Ngoài ra, nó là một dạng năng lượng siêu
sạch, việc sư dụng nó không ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.
1.4.2. Nhược điểm
Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng có nhiều ưu điểm nhưng việc sư dụng nó
vẫn chưa được sư dụng 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 các tia sáng mặt trời thành cơ năng, điện năng
bị giới hạn bởi các nguyên lý của vật lý học và nhiệt động học.
- Nó còn phụ thuộc vào vị trí địa lý.

7

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

1.5. ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.5.1. Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT
Các thiết bị đun nước bằng NLMT là loại hình được sư dụng rộng rãi trên thế giới.
Các thiết bị đun nước bằng NLMT đã được lắp đặt cho hơn 2 triệu gia đình tại Nhật Bản,
hơn 600.000 gia đình tại Israel và trên 300.000 gia đình tại Mỹ...
Loại thông thường nhất của thiết bị nhiệt mặt trời là collector phẳng và bể đựng

nước dung tích khoảng 200 lít.
Ngoài việc sư dụng nước nóng cho mục đích sinh hoạt thông thường, hệ thống đun
nước nóng phục vụ cho các bể bơi cũng phát triển phổ biến.
Tại các nước đang phát triển, nhưng nguyên liệu để chế tạo không sẵn, vì vậy giá
thành thiết bị còn đắt. Vì vậy, để phát triển rộng rãi hơn lĩnh vực này cần tập trung nghiên
cứu công nghệ NLMT vào vật liệu tiến bộ và chế tạo bộ thu sao cho đơn giản, rẻ hơn.

Hình 1.2:

Thiết bị nước nóng
dùng năng lượng mặt trời

1.5.2. Thiết bị sấy bằng NLMT
Một ứng dụng rất phổ biến của NLMT là lĩnh vực sấy, chủ yếu trong nông nghiệp
để sấy ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ lệ hao hụt, tăng chất lượng sản phẩm.

8

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Với công nghệ sấy bằng NLMT, chủ yếu có 5 loại sau:
+ Các máy sấy không khí tự nhiên ngoài trời: Loại này kết cấu đơn giản, sản phẩm
sấy được đặt trên một cái khay, giá hoặc sàn được sấy khô bằng ánh nắng mặt trời và gió.
+ Các máy sấy mặt trời trực tiếp: Loại này sản phẩm sấy đặt ở trong khung kính
trắng hoặc dẻo, mặt trời làm nóng sản phẩm được sấy khô và khung tạo nhiệt cao nhờ hiệu
ứng nhà kính.
+ Các máy sấy mặt trời gián tiếp: Các máy này mặt trời không tác động trực tiếp lên
sản phẩm sấy, vì vậy loại này dùng cho nhưng sản phẩm tránh lượng vitamin bị phân huỷ
bởi ánh nắng mặt trời. Không khí được làm nóng trong bộ tấm thu nhiệt mặt trời, sau đó

đươc dẫn qua buồng sấy.
+ Các máy sấy hỗn hợp: Máy sấy này là sự phối hợp của tia bức xạ mặt trời trên sản
phẩm sấy và không khí được hâm nóng trước trong một tấm thu nhiệt mặt trời cung cấp
nhiệt cần thiết cho sấy.
+ Các hệ thống sấy ghép: Loại sấy mặt trời này trong đó còn có nguồn sấy khác như
biogas hay điện phụ thêm làm nóng không khí trong thời gian mặt trời bị mây che
phủ.

Hình 1.3: Hệ thống
sấy cacao bằng năng lượng mặt trời
1.5.3. Pin mặt trời

9

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Các tế bào quang điện đã phát triển trên 100 năm nhằm trực tiếp chuyển ánh sáng
mặt trời thành điện năng bằng cách chuyển các photon ánh sáng sang điện. Về lý thuyết, tế
bào quang điện thể hiện tiềm năng lớn cho các nước đang phát triển để giải quyết điện khí
hoá vùng sâu, vùng xa, nhưng nơi chưa có điện lưới. Tế bào quang điện chủ yếu sư dụng
các bộ thu phẳng hay tập trung. Sư dụng bộ thu phẳng thuận tiện cho việc bố trí, ví dụ trên
mái nhà, vách kính của các toà nhà cao tầng.

Hình 1.4:

Đèn đường năng
lượng mặt trời

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Hình 1.5: PIN năng lượng mặt trời ở nông thôn
1.5.4. Nhà máy điện chạy bằng năng lượng mặt trời
Dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ
để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện. Có 3 loại bộ thu chủ
yếu sau đây:
- Hệ thống máng parabol: Tập trung tia bức xạ mặt trời vào ống môi chất đặt dọc
theo đường hội tụ của bộ thu. Nhiệt độ có thể lên đến 400ºC.
- Hệ thống nhận nhiệt trung tâm: Sư dụng các gương phản chiếu có định vị theo mặt
trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên tháp cao, nhiệt độ có thể lên đến 1500ºC.
- Hệ thống đĩa parabol tròn xoay: Sư dụng đĩa parabol định vị theo phương mặt trời
để tập trung NLMT vào bộ thu đặt tại tiêu điểm của đĩa, nhiệt độ có thể lên tới 1500ºC.

Hình 1.6: Nhà máy nhiệt điện bằng năng lượng mặt trời
1.5.5. Thiết bị chưng cất nước ngọt
Sư dụng NLMT trong việc chưng cất nước ngọt lần đầu tiên vào năm 1872 tại sa
mạc vùng Las Salinas, Bắc Chile. Hệ thống đã xây dựng một bể lớn để chưng cất nước
ngọt, nó làm việc hiệu quả trong 40 năm. Tại Úc và Hy Lạp, các hệ thống chưng cất này đã
được xây dựng vào nhưng năm 1960 nay vẫn vận hành tốt.
Các hệ thống chưng cất nước mặt trời có thể chia thành các loại sau:

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

 Chưng cất bể đơn và đơn giản: Loại này thường dùng ở nhưng nơi lõm nông trên

mặt đất với một nắp đậy trong suốt trên chỗ lõm. Sư dụng hiệu ứng nhà kính, nước
bốc hơi do bức xạ mặt trời chiếu vào và ngưng tụ lại ở phía trong của nắp se được
thu gom.

 Các hệ thống chưng cất tiến bộ: Được thiết kế với năng suất cao hơn loại đơn giản.
Kết cấu bao gồm các bể chưng cất nước bằng mặt trời hiệu quả kép

(chưng

cất thông qua nhiều tầng).

 Các hệ thống chưng cất có kết hợp sức nóng mặt trời: Các loại này thường là loại
chưng cất kép, dung tổng hợp năng lượng mặt trời và nhiên liệu để cấp cho quá
trình chưng cất.

Hình 1.7:

Hệ thống chưng cất
nước ngọt bằng năng lượng mặt trời

1.5.6. Bếp nấu dùng NLMT
Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như
các nước ở Châu Phi.
Ở Việt Nam, bếp NLMT cũng đã được sư 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

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30.000 USD) đưa bếp NLMT vào sư 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.

Hình 1.8:Bếp nấu năng lượng mặt trời ở Đức

1.5.7. Động cơ Stirling chạy bằng NLMT.

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Hình 1.9 : Động cơ Stirling
Động cơ Stirling dùng 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.
1.5.8. Thiết bị làm lạnh, điều hoà không khí bằng NLMT
Trong số nhưng 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 nhưng vùng xa xôi hẻo lánh thuộc các nước đang phát triển không có
lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập của người dân. Với máy lạnh
làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời là thuận tiện
nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao. Ngoài ra, các hệ
thống lạnh còn được sư 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.
1.6 . MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI

1.6.1 . Cao ốc văn phòng sử dụng năng lượng mặt trời

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Hình 2.1 Tòa nhà Sun and the Moon Altar (Trung Quốc
Cao ốc được xây dựng ở thành phố Đức Châu, tỉnh Sơn Đông, Tây bắc Trung Quốc. Tòa
nhà rộng 75.000m2 được thiết kế dạng cấu trúc đồng hồ mặt trời và đáp ứng yêu cầu sư
dụng năng lượng tái sư dụng để thay thế các loại nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi
trường. Tòa nhà cung cấp không gian cho các trung tâm triển lãm, khu vực nghiên cứu,
trung tâm hội họp và huấn luyện và một khách sạn.
1.6.2. Cầu đi bộ sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 2.2 Cầu đi bộ Kurilpa

Cầu sư dụng hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED được lập trình để tạo ra một loạt các
hiệu ứng ánh sáng khác nhau. Hệ thống chiếu sáng tiết kiệm năng lượng sư dụng 84

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

panel mặt trời phát điện với công suất khoảng 100KW/giờ mỗi ngày và trung bình
38MW/giờ mỗi năm. Lượng điện thừa có được từ các panel mặt trời se được chuyển
sang cho mạng lưới điện quốc gia (hệ thống đèn LED chỉ sư dụng 75% điện năng
mặt trời).
1.6.3. Tàu 3 thân

Hình 2.3 Thuyền Planet Solar
Tàu dài 30m, rộng 15m và các tế bào năng lượng mặt trời được lắp trên phần nóc rộng
2
508m . Các panel mặt trời có khả năng sản xuất ra 1.000 watt điện mỗi ngày. Lượng điện
thừa ra se được trư trong nhưng bình điện giúp chiếc tàu nặng 58 tấn này tiếp tục hành
trình mà không cần ánh nắng mặt trời trong vòng 3 ngày. Tàu chạy với tốc độ khoảng
18km/giờ.
Đây cũng chính là con thuyền đã xuất phát từ Monte Carlo (Monaco) vào ngày
27/9/2010, để thực hiện cuộc hành trình vòng quanh thế giới với thông điệp về chống
biến đổi khí hậu. Trên hành trình du ngoạn, Planet Solar đã ghé qua thành phố biển Nha
Trang (Việt Nam) vào ngày 29/8/2011 và lưu lại đây đến ngày 1/9/2011.
1.6.4. Sân vận động World Games (Đài Loan)

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Hình 2.4 Sân vận động World Games (Đài Loan)
Với sức chứa 55.000 khán giả, tọa lạc trên một khu đất với diện tích 19 hecta
ở thành phố Cao Hùng (Kaohsiung), Sân vận động siêu hiện đại trị giá 5 tỉ USD có
2
phần mái cực rộng 14.155m lắp đặt 8.844 panel mặt trời và tạo ra điện năng 1,14
triệu KW/giờ mỗi năm giúp giảm bớt 660 tấn khí thải carbon dioxide vào bầu khí
quyển trong một năm, đủ để cung cấp điện cho 3.300 bóng đèn, 2 màn hình tivi
khổng lồ và hệ thống phát thanh trong sân.
1.6.5 Nhà máy điện mặt trời PS20 (Tây Ban Nha)
PS20 bao gồm 1.255 tấm gương lớn có thể di chuyển được (còn gọi là kính
2

định nhật). Mỗi kính định nhật rộng hơn 350 m và tổng diện tích kính bao phủ toàn
2
bộ khu vực là khoảng 155.000 m .

Hình 2.5 Nhà máy điện mặt trời PS20 (Tây Ban Nha)
Trong một ngày, kính định nhật se xoay theo 2 trục hướng về mặt trời và tập

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

trung bức xạ đến một bình chứa ở phần trên ngọn tháp cao 162 m. Sau đó, bình chứa
chuyển đổi 92% ánh sáng nhận được thành dòng hơi nước, dẫn xuống một turbine
làm chạy máy phát điện ở chân tháp.
Nhà máy điện mặt trời PS20 được xây dựng từ năm 2006, hoàn thành và đi
vào hoạt động trong năm 2009. PS20 có thể sản xuất được 48.000 MWh/năm, cung
cấp cho 10.000 hộ gia đình trong khu vực, giúp giảm khoảng 12.000 tấn CO 2 vào khí
quyển (giảm 2 lần so với tòa nhà PS10 được xây dựng trước đó).
1.6.6.Hệ thống nấu ăn sử dụng năng lượng mặt trời

Trong nỗ lực ngăn chặn khí thải gây ô nhiễm môi trường của thế giới, Ấn Độ đang phát
triển dự án hệ thống phục vụ nấu ăn được sư dụng bằng năng lượng mặt trời lớn nhất thế
giới. Dự án được xây dựng ở Shirdi, bang Maharashtra. Hệ thống này trị giá khoảng
280.000USD có nhiệm vụ biến nước thành 3.500kg hơi nước mỗi ngày và sau đó được
dùng để nấu nướng phục vụ cho khoảng 20.000 khách hành hương đến lăng thánh Sai
Baba mỗi ngày. và giúp tiết kiệm được khoảng 100.000kg gas mỗi năm. Nhà nước se
chi trả 43% trong tổng kinh phí xây dựng hệ thống.
1.6.7 Nhà máy điện mặt trời sản xuất điện cả đêm

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Nhà máy điện Gemasolar ở miền Nam Tây Ban Nha có tới 2.650 tấm thu năng
lượng mặt trời nằm trên diện tích 185 ha. Nhưng tấm gương, còn gọi là kính định
nhật, tập trung năng lượng bức xạ mặt trời vào một máy thu khổng lồ nằm ở trung
tâm.

Mức nhiệt độ lên tới 900 độ C được dùng để làm nóng các thùng muối nấu
chảy, tạo ra hơi nước để chạy các turbine của nhà máy trị giá 428 triệu USD. Không
giống nhưng nhà máy điện mặt trời khác, nhiệt độ được dự trư trong nhưng thùng
này có thể được giải phóng trong suốt 15 tiếng, nên nhà máy vẫn hoạt động bình
thường vào ban đêm. Dự án được hoàn thành sau 2 năm và được kỳ vọng se tạo ra
110 GWh/năm – đủ để cung cấp điện cho 25.000 hộ gia đình ở khu vực Andalucia.
1.6.8. Máy bay năng lượng mặt trời

Máy bay Solar Impulse hoạt động hoàn toàn nhờ vào năng lượng mặt trời, có

1

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

chiều dài sải cánh 63m như chiếc Airbus A340. Tuy nhiên, trọng lượng của Solar
Impulse khoảng 1.600kg, tương đương trọng lượng chiếc ôtô nhỏ.Cánh của Solar
Impulse được bao phủ bởi 12.000 tấm pin mặt trời cung cấp năng lượng cho động cơ,
đồng thời có thể nạp năng lượng cho hệ thống 400kg pin lithium-ion dự trư, nhờ vậy,
máy bay có thể bay cả ngày lẫn đêm trong vòng 26 giờ.

1.6.9. Nhà máy điện Greenough River
Nhà máy Greenough River công suất 10MW nằm trên 80 hecta đất gần thành
phố Geraldton, đã chính thức kết nối lưới điện vào ngày 9 tháng 10 năm 2012.

Hình 2.6 Trang trại năng lượng mặt trời Greenough River

"First Solar giúp cho dự án điện mặt trời quy mô lớn đầu tiên tại nước Úc trở
thành hiện thực," ông Mark Widmar, giám đốc tài chính First Solar cho biết. "Dự án
mang tính bước ngoặt này se là nền tảng vưng chắc cho việc phát triển nhưng dự án
năng lượng mặt trời quy mô lớn khác trong thị trường điện tái tạo của nước Úc.
Chúng tôi hài lòng vì đã được hợp tác với các các nhà thầu cùng nhà cung cấp địa
phương để thực hiện dự án này và dẫn đầu sự phát triển ngành công nghiệp năng
lượng mặt trời tại Úc. Trang trại năng lượng mặt trời Greenough River sư dụng hơn
150.000 tấm pin mặt trời công nghệ màng mỏng, với công suất 10MW dự kiến se tạo
ra điện năng cung cấp cho 3.000 hộ gia đình.
1.7. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NLMT TẠI VIỆT NAM

2

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Việt Nam nằm ở vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, là nơi có tiềm năng về NLMT. Tuy nhiên
phân bố NLMT ở nước ta không đồng đều, các tỉnh phía Nam và Tây Nguyên có số giờ
nắng cao và cường độ bức xạ gần như ổn định quanh năm, trong khi đó miền Bắc có hai
mùa rõ rệt và bức xạ mặt trời dao động mạnh do ảnh hưởng thời tiết.
Ngay từ thập kỷ 70, sau cuộc khủng hoảng năng lượng của thế giới và nguy cơ của
vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là hiệu ứng ấm lên toàn cầu, Nhà Nước ta đã bắt đầu
triển khai chương trình nghiên cứu năng lượng mới ở cấp quốc gia mang mã số 52C với sự
tham gia của Uỷ ban khoa học và Kỹ thuật Nhà Nước, Viện Khoa học Việt Nam và các

trường Đại học thuộc Bộ Đại học và Trung học chuyên nghiệp cũng như một số Viện
nghiên cứu khác. Tại Viện Khoa học Việt Nam và Viện Năng lượng thuộc Bộ Điện –Than,
một số mẫu bộ thu NLMT để đun nước nóng đã được chế tạo. Tại Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, Trung tâm năng lượng mới tập trung nghiên cứu các thiết bị đun nước nóng
và sấy bằng NLMT, đã lắp đặt và đưa vào sư dụng hàng trăm bộ thu đun nước nóng cho
bệnh viện, nhà trẻ… Tại Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh cũng đã tập trung nghiên cứu ứng dụng vào kỹ thuật đun nước nóng dùng
NLMT, bơm nước dùng NLMT, bếp nấu dùng NLMT, dùng NLMT chạy máy lạnh hấp thụ
sản xuất nước đá…
Hiện nay, Việt Nam đã gia nhập Tiểu bang năng lượng phi truyền thống của Hiệp
hội các nước Đông Nam Á và Nhà Nước tăng cường đầu tư nghiên cứu. Các trung tâm
năng lượng mới thuộc Phân viện Vật Lý TP.HCM, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại học
Bách Khoa Hà Nội với sự hổ trợ của các tổ chức quốc tế đã tiến hành thành công việc xây
dựng các trạm pin mặt trời có hiệu suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hoá
của các địa phương vùng sâu xa không có điện lưới. Đặc biệt trong thời gian gần đây, Nhà
nước ta đã phát động chương trình toàn dân tiết kiệm năng lượng bằng việc hổ trợ cho các
hộ gia đình một phần kinh phí khi mua bình nước nóng dùng và chảo thu NLMT.
Nói chung, việc nghiên cứu ứng dụng NLMT tại Việt Nam cho đến nay vẫn còn hạn
chế do giá thành cao và không tiện dụng,mặc dù nước ta nằm trong khu vực có cường độ
bức xạ mặt trời cao, số giờ nắng trung bình hằng năm cao và rất thiếu nguồn năng lượng.

2

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Hầu hết các mẫu thiết kế mới chỉ dừng ở quy mô thí nghiệm mà chưa triển khai rộng
rãi ở quy mô công nghiệp.

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
2.1.1 Nhu cầu cấp thiết của đề tài
Nước ngọt hay nước nhạt là loại nước chứa một lượng tối thiểu các muối hòa tan, đặc
biệt là clorua natri (thường có nồng độ các loại muối hay còn gọi là độ mặn trong khoảng
0,01 - 0,5 ppt hoặc tới 1 ppt), vì thế nó được phân biệt tương đối rõ ràng với nước lợ hay
các loại nước mặn và nước muối. Tất cả các nguồn nước ngọt có xuất phát điểm là từ các
cơn mưa được tạo ra do sự ngưng tụ tới hạn của hơi nước trong không khí, rơi xuống ao,
hồ, sông của mặt đất cũng như trong các nguồn nước ngầm hoặc do sự tan chảy của băng
hay tuyết. Nước ngọt là nguồn tài nguyên tái tạo, tuy vậy mà việc cung cấp nước ngọt và
sạch trên thế giới đang từng bước giảm đi. Nhu cầu nước đã vượt cung ở một vài nơi trên
thế giới, trong khi dân số thế giới vẫn đang tiếp tục tăng làm cho nhu cầu nước càng tăng.
Sự nhận thức về tầm quan trọng của việc bảo vệ nguồn nước cho nhu cầu hệ sinh thái chỉ
mới được lên tiếng gần đây. Trong suốt thế kỷ 20, hơn một nưa các vùng đất ngập nước
trên thế giới đã bị biến mất cùng với các môi trường hỗ trợ có giá trị của chúng. Các hệ
sinh thái nước ngọt mang đậm tính đa dạng sinh học hiện đang suy giảm nhanh hơn các
hệ sinh thái biển và đất liền

2

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Nước biển là nước từ các biển hay đại dương. Về trung bình, nước biển của các đại
dương trên thế giới có độ mặn khoảng 3,5%. Điều này có nghĩa là cứ mỗi lít nước biển
chứa khoảng 35 gam muối, phần lớn là clorua natri (NaCl) hòa tan trong đó dưới dạng
các ion Na+ và Cl, ngoài ra còn các khoáng chất khác.

Hiện nay các tàu cá khai thác xa bờ Việt Nam đều phải mang theo nước ngọt từ đất liền
nên rất tốn kém, bị động và thời gian đi biển bị rút ngắn; các vùng dân cư ngoài hải đảo
xa cũng thường xuyên bị khan hiếm nước ngọt; các vùng nuôi thủy sản rất cần cân bằng

độ mặn nhằm tối ưu sự phát triển của con tôm, con cá. Do vậy, biến nước mặn thành
nước ngọt là nhu cầu rất lớn của bà con vùng biển nước ta.
Mục đích việc chế tạo thiết bị là phục vụ cho nhu cầu sư dụng của ngư dân khi đánh bắt
xa bờ dài ngày. Do vậy, thiết bị được chế tạo phải đảm bảo tính kinh tế, tiết kiệm năng
lượng có sẵn trên tàu và đạt hiệu quả cao.
Với khí hậu nhiệt đới nắng nóng của Việt Nam, năng lượng mặt trời se là nguồn năng
lượng miễn phí và đóng vai trò chủ chốt cung cấp nhiệt cho thiết bị. Bên cạnh đó,
nguồn năng lượng từ nước giải nhiệt động cơ tàu cũng là một nguồn năng lượng quan
trọng góp phần nâng cao hiệu suất cho thiết bị. Thông thường thì nước giải nhiệt động

2

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

cơ tàu se bị thải ra ngoài, nhưng bây giờ lại được tận dụng để cung cấp nhiệt cho thiết bị
cũng là một giải pháp để tiết kiệm năng lượng khi vận hành máy.
Khi chế tạo thiết bị, một yêu cầu được đặt ra nưa là phải có tính cơ khí hóa, tự động hóa
cao, đồng thời phải dễ chế tạo, sưa chưa và đảm bảo an toàn khi vận hành. Từ yêu cầu
đó, thiết bị được chế tạo se được vận hành tự động hoặc bằng tay, tháo lắp dễ dàng.

2.1.2 Tính chọn đề tài
Chọn công suất của tàu đánh cá là 200 CV ứng với 7thuyền viên trên tàu
Nên lượng nước cần chưng cất được khoảng 14 lít/ngày
Số giờ nắng trong 1 ngày là 8 giờ ( từ 8h đến 16h )
Đia điểm thực hiện đề tài là Quảng Nam – Đà Nẵng
2.2 THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC NGỌT BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.2.1 Nguyên lý chung
Trên trái đất của chúng ta, nhưng nơi có nhiều nắng thì thường ở nhưng nơi đó
nước uống bị khan hiếm. Bởi vậy năng lượng mặt trời đã được sư dụng từ rất lâu để

thu nước uống bằng phương pháp chưng cất từ nguồn nước bẩn hoặc nhiểm mặn. Có
rất nhiều thiết bị khác nhau đã được nghiên cứu và sư dụng cho mục đích này, một
trong nhưng hệ thống chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời đơn giản được mô tả
như hình .

2

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

Nước ngưng tụ trên tấm phu

Máng chứa nước ngưng

Nước
vào

Khay chứa nước được sơn đen làm bề mặt hấp thụ

Hình . Thiết bị chưng cất đơn giản
Nước bẩn hoặc nước mặn được đưa vào khay ở dưới và được đun nóng bởi sự hấp
thụ năng lượng mặt trời. Phần đáy của khay được sơn đen để tăng quá trình hấp thu
bức xạ mặt trời, nước có thể xem như trong suốt trong việc truyền bức xạ sóng ngắn từ
mặt trời. Bề mặt hấp thụ nhận nhiệt bức xạ mặt trời và truyền nhiệt cho nước. Khi
nhiệt độ tăng, sự chuyển động của các phân tư nước trở nên rất mạnh và chúng có thể
tách ra khỏi bề mặt mặt thoáng và số lượng tăng dần. Đối lưu của không khí phía trên
bề mặt mang theo hơi nước và ta có quá trình bay hơi. Sự bốc lên của dòng không khí
chứa đầy hơi ẩm, sự làm mát của bề mặt tấm phủ bởi không khí đối lưu bên ngoài làm
cho các phần tư nước ngưng tụ lại và chảy xuống máng chứa ở góc dưới. Không khí
lạnh chuyển động xuống dưới tạo thành dòng khí đối lưu.

Để đạt hiệu quả ngưng tụ cao thì nước phải được ngưng tụ bên dưới tấm phủ. Tấm phủ
có độ dốc đủ lớn để cho các giọt nước chảy xuống dễ dàng. Điều đó cho thấy rằng ở mọi
thời điểm khoảng phần nưa bề mặt tấm phủ chứa đầy các giọt nước. Quá trình ngưng tụ
của nước dưới tấm phủ có thể là quá trình ngưng giọt hay ngưng màng, điều này phụ
thuộc vào quan hệ giưa sức căng bề mặt của nước và tấm phủ. Hiện nay người ta thường
dùng tấm phủ là kính thuận lợi cho quá trình ngưng giọt. Người ta thấy rằng ở vùng khí
hậu nhiệt đới, hệ thống chưng cất nước có thể sản xuất ra một lượng nước ngưng tương

2

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về