Năng lượng mặt trời đun nước ống chân không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH


KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

TIỂU LUẬN
Đề tài: “ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐUN
NƯỚC NÓNG ỐNG CHÂN KHÔNG”

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. HOÀNG TRÍ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2015


LỜI CẢM ƠN
Thông qua môn học “Năng lượng và quản lý năng lượng” đã giúp em có thêm
nhiều kiến thức về các nguồn năng lượng trong tự nhiên, các mô hình khai thác tân dụng
được nguồn năng lượng cụ thể là năng lượng mặt trời cũng như các nguồn năng lượng khác.
Để thực hiện được đề tài nghiên cứu “Năng lượng mặt trời đun nước nóng ống chân
không” có kết quả tốt, ngoài nỗ lực cố gắng nghiên cứu tìm tòi thì còn có sự giúp đỡ của thầy
Th.S Hoàng Trí. Cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy trong quá trình hướng dẫn nghiên cứu
đề tài cũng như giảng dạy trên lớp.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện sẽ có những khuyết điểm. Mong thầy đóng
góp ý kiến giúp đỡ để em hoàn thiện bài báo cáo tốt hơn.
Một lần nữa cảm ơn thầy Th.S Hoàng Trí

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 2


TÓM TẮT TIỂU LUẬN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐUN NƯỚC NÓNG ỐNG CHÂN KHÔNG
Thế kỷ 21 với chiến lược phát triển bền vững toàn cầu, đăc biệt là thời kỳ phát triển
“Kinh tế xanh”, “Năng lượng xanh” đã bắt đầu chứng kiến những công nghệ mới để sản xuất
điện, nhiên liệu sạch hơn, các thiết bị tiên tiến phục vụ cho cuộc sống con người, trong đó sản
xuất điện từ các người năng lượng tái tạo vô tân trong tự nhiên hay luôn phát sinh cùng đời
sống con người. Đó là những công nghệ, ứng dụng sản xuất điện và các thiêt bị từ nguồn
năng lượng tái tạo có sẵn trong tự nhiên. Nguồn Năng lượng mặt trời là một trong nhiều
nguồn năng lượng tái tạo ấy.
Năng lượng mặt trời đun nước nóng ống chân không là một trong những ứng dụng nổi
bật của việc sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt của con người. Đề
tài trình bày về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của “Máy nước nóng lăng lượng mặt trời dạng
ống chân không” một thiết bị phổ biến sử dụng nhiệt năng từ mặt trời để đun nước, cũng như
ưu điểm, nhược điểm của thiết bị đun nước nóng chân không và đặc điểm nổi bật, quy trình
sản xuất một số loại ống chân không thu nhiệt.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 3


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN

02

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

03

MỤC LỤC

04

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

05

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

06

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

07

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ MÁY ĐUN NƯỚC NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI
12

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 4


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
Hiện nay môi trường đang là vấn đề nóng bỏng và cấp bách không chỉ ảnh hưởng tới

một quốc gia mà là vấn đề của toàn cầu, không chỉ riêng của các nhà khoa học mà là của tất
cả mọi người trong mọi tầng lớp xã hội, tiêu thụ năng lượng của cả thế giới gia tăng không
ngừng trong những năm cuối thế kỷ 20 đầu thế kỷ 21.
Với tình hình trên việc sử dụng năng lượng hiệu quả cũng như dùng những nguồn
năng lượng tái tạo thay thế các nguồi năng lượng truyền thống là rất cần thiết. Việc tiêt kiệm,
sử dụng một cách hợp lý nguồn năng lượng sẽ gọp phần giải quyết việc khủng hoảng năng
lượng trong những năm sắp tới cũng như vấn đề ô nhiễm môi trường. Nhận thức được tầm
quan trọng của vấn đề năng lượng đối với sự phát triển bền vững, các quốc gia đã xây dựng
cho mình một chương trình phát triển năng lượng mà trọng tâm là hướng đến nguồn năng
lượng sạch và sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 5


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Thiết bị đun nước nóng ống chân không bằng năng lượng mặt trời:
Trong việc tìm kiếm và phát triển sử dụng các nguồn năng lượng mới, đáp ứng tốt các
nhu cầu về năng lượng và môi trường, năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng
ưu việt nhất, có thể là dạng năng lượng chính được sử dụng trong tương lai.
Năng lượng mặt trời thực chất là nguồn năng lượng nhiệt hạch vô tận của thiên nhiên.
Hàng năm, mặt trời cung cấp cho trái đất một lượng năng lượng khổng lồ, gấp 10 lần trữ
lượng các nguồn nhiên liệu có trên trái đất. Hiện nay, năng lượng mặt trời được con
người sử dụng dưới nhiều dạng khác nhau và thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời cũng
rất đa dạng, nhưng trong đó thiết bị đun nước nóng chân không bằng năng lượng mặt trời là
có hiệu suất
cao và rất phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, đặc biệt là ở các vùng nông thôn, vùng
cao, miền núi.
Việt Nam là một nước nhiệt đới, nằm ở vành đai nội chí tuyến nên tổng số giờ nắng

trong năm lớn, ở khu vực miền Trung có khoảng 2.900 giờ nắng và với cường độ bức xạ
cao,lên đến 950W/m2 do đó rất thuận lợi cho việc triển khai ứng dụng các thiết bị sử
dụng năng lượng mặt trời. Trên cơ sở đó nhiều thiết bị đun nước nóng bưng năng lượng mặt
trời đã ra đời phụ vụ cho nhu cầu sử dụng nước sạch, nóng để sinh hoạt.
Với ưu điểm đơn giản, tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao và ổn định, tuổi thọ tương đối cao
nếu sử dụng đúng, giá thành cũng như chi phí thay thế rẻ (rất rẻ), dễ sử dụng thiết bị đun
nước nóng bằng năng lượng măt trời ngày càng được nhiều người tin dùng.
Tuy nhiên chúng cũng có những nhược điểm khó lắp đặt, đòi hỏi nguồn nước cấp phải bảo ;
khó vệ sinh trong trường hợp các ống đóng cáu bẩn. Vì vậy các thiết bị đun nước nóng luôn
được các nhà khoa học cải tiến.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 6


CHƯƠNG 3 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CẤU TẠO MÁY DUN NƯỚC NÓNG CHÂN KHÔNG BẰNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI:
1. Bộ phận thu nhiệt Dạng chân không (Collector Dạng chân không):
 Collector loại ông chân không gồm các ống chân không gắn song song với nhau. Mỗi
ống có dạng ống thủy tinh 2 lớp, ở giữa là chân không. Bề mặt lớp trong của ống được
tráng một lớp màng kim loại đặc biệt, gồm 3 lớp:
• Lớp 1: Lớp chống tản nhiệt ( Hợp kim Inox + đồng).
• Lớp 2: Hấp thụ nhiệt năng ánh sang mặt trời ( Hợp kim đồng).
• Lớp 3: Truyền nhiệt hấp thụ cho nước chứa bên trong ống (Hợp kim Inox).

I.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 7


 Bình bảo ôn

Cấu tạo gồm 3 lớp: Ruột bình, lớp bảo ôn và vỏ bình
• Ruột bình: được chế tạo bằng thép không gỉ ( SUS304/2B) dùng trong công
nghệ thực phẩm và được hàn nối bằng phương pháp hàn cao tần, do đó đảm bảo
được thành phần của nước khi sử dụng không bị thay đổi do xúc tác của nhiệt
độ.
• Lớp bảo ôn: được làm từ hợp chất cách nhiệt (PolyUrethane), trong điều kiện
nhiệt độ ổn định cho phép cách nhiệt tốt.
• Vỏ bình: làm bằng thép không gỉ, sử dụng tốt với điều kiện môi trường khắc
nghiệt.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 8


 Giá đỡ: được làm bằng thép không gỉ hoặc hợp kim nhôm.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 9


2. Nguyên lý hoạt động:
 Khi ánh sang mặt trời chiếu vào bộ phận thu nhiệt, các ống thủy tinh chân không sẽ

hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển thành nhiệt năng. Lượng nhiêt này sẽ làm nóng
lượng nước có trong các ống thủy tinh chân không.
 Nước nóng có tỷ trọng nhỏ sẽ đi lên bình bảo ôn theo bề mặt trên của ống, nước lạnh
có tỷ trọng lớn hơn sẽ đi từ bề mặt trên bình bảo ôn xuống bề mặt dưới của ống.
 Quá trình cứ như thế cứ diễn ra lien tục cho đến khi nước trong bồn chứa đạt tới nhiệt
độ cao nhất ( khoảng 80 độ C).

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 10


 Phân tích nguyên lý hoạt động của loại bình nước nóng này, ta có thể thấy tồn tại

hai nhược điểm sau:
• Quá trình truyền nhiệt từ bức xạ mặt trời tới nước nóng xảy ra chậm kém hiệu quả
vì ở đây chỉ do đối lưu tự nhiên của nước nóng ở dưới, nước lạnh ở trên. Nước
trong ống thủy tinh chuyển động để lấy nhiệt đi chỉ do chênh lệch về khối lượng
riêng nên chậm và kém hiệu quả.
• Nước trong ống thủy tinh là nước sinh hoạt nên lâu ngày sẽ bị cặn bẩn và làm giảm
khả năng truyền nhiệt. Bởi vậy theo định kỳ sử dụng phải tháo ống ra để làm sạch
bên trong ống.
 Để hoàn thiện khả năng làm việc của thiết bị, cần phải giải quyết được những
nhược điểm này.
 Sau một thời gian nghiên cứu lý thuyết và tiến hành các thí nghiệm, nhóm nghiên

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 11

 cứu của Khoa Công nghệ Năng lượng – Trường Đại học Điện lực đã đề xuất, lựa

chọn công nghệ ỐNG NHIỆT THUỶ TINH CHÂN KHÔNG để chế tạo bộ thu
năng lượng mặt trời sử dụng cho công nghệ chế tạo bình nước nóng năng lượng
mặt trời.

 Với công nghệ này, năng lượng mặt trời không trực tiếp đun nóng nước mà thông

qua chất tải nhiệt, chất tải nhiệt là một loại môi chất nằm hoàn toàn trong phần ống
đồng. Môi chất lỏng ở phần dưới, bên trong ống đồng nhận nhiệt bức xạ mặt trời,
sôi và bốc hơi. Hơi môi chất chuyển động lên đầu phía trên của ống nhiệt, tại đây
diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi môi chất và nước lạnh trong bình chứa.
Hơi môi chất nhả nhiệt cho nước lạnh và ngưng tụ thành lỏng, môi chất lỏng quay
trở lại phần dưới của ống đồng nằm trong ống thuỷ tinh. Quá trình này lặp lại và
diễn ra liên lục.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 12


 Từ nguyên lý hoạt động này, có thể thấy, hai nhược điểm về mặt kỹ thuật của bình

nước nóng mặt trời kiểu cũ đã được khắc phục. Trong giai đoạn chế tạo thử
nghiệm, giá thành của bình nước nóng kiểu mới này còn cao hơn so với kiểu cũ,
tuy nhiên khi hoàn thiện công nghệ chế tạo và đưa vào sản xuất hàng loạt thì bình
nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ ống nhiệt thuỷ tinh chân không
hoàn toàn có đủ sức cạnh tranh và chiếm lĩnh thị trường.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 13


CHƯƠNG IV: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC
BIỆN PHÁP VỀ MÁY ĐUN NƯỚC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Tại sao là chân không?
Như bạn biết nếu bạn đã sử dụng một bình giữ nhiệt lót kính, chân không là một chất cách
nhiệt tuyệt vời. Điều này quan trọng bởi vì một khi các ống chân không hấp thụ bức xạ từ mặt
trời và chuyển thành nhiệt, chúng ta không muốn để mất nó! Chân không giúp đạt được điều
này. Các tính chất cách nhiệt này rất tốt nên trong khi bên trong của ống có thể là 150oC /
304oF, ống bên ngoài vẫn lạnh để chạm vào được. Điều này có nghĩa rằng máy nước nóng
ống chân không có thể hoạt động tốt ngay cả trong thời tiết lạnh khi bộ thu nhiệt tấm phẳng
hoạt động kém do tổn thất nhiệt (trong điều kiện Delta-T cao).
Ống chân không được xếp thẳng hàng song song, góc gắn kết phụ thuộc vào vĩ độ tại vị trí
của bạn. Theo hướng Bắc Nam, các ống có thể theo dõi thụ động nhiệt từ mặt trời trong cả
ngày. Theo định hướng Đông Tây, ống chân không có thể dõi theo hướng mặt trời quanh
năm.
Hiệu suất của một máy nước nóng chân không phụ thuộc vào một số yếu tố, một yếu tố
quan trọng là mức độ bức xạ chân không (sự hấp thu nhiệt) trong khu vực của bạn.
Thông số kỹ thuật cơ bản của ống chân không
Thông số
Chiều dài (danh nghĩa)
Đường kính bên ngoài của ống
Đường kính bên trong của ống
Độ dày của kính
Nhiệt mở rộng
Vật liệu

Lớp phủ hấp thu Coating
Độ hấp thu
Khí thải
Chân không
Nhiệt độ trì trệ
Số nhiệt bị mất
Cường độ tối đa

ThS. HOÀNG TRÍ

Giá trị
1500mm /1800mm
58mm
47mm
1.6mm
3.3x10-6 oC
kính borosilicate 3.3
Loại Al-N/Al
>92% (AM1.5)
<8% (80oC)
P<5x10-3 Pa
>200oC
<0.8W/ ( m2oC )
0.8MPa

Page 14


QUY TRÌNH SẢN XUẤT ỐNG CHÂN KHÔNG THU NHIỆT:
Ống thu nhiệt là bộ phận cực kỳ quan trọng trong máy nước nóng năng lượng mặt trời.

Đối với ống chân không của máy nước nóng năng lượng mặt trời. Quy trình sản xuất chia làm
6 công đoạn chính như sau:
1. Quy trình chế tạo ống thuỷ tinh:
 Việc đầu tiên lựa chọn thuỷ tinh để chế tạo ống, đối với ông chân không của máy nước

nóng măng lượng mặt trời thì chât liệu thuỷ tinh được lựa chọn là Brosilicate (3.3 ± 0.1)
x 10 – 6k – 1 . Đây là thuỷ tinh có độ tinh khiết cực cao và độ bền vượt trội so vơi các
loại thuỷ tinh thường, chịu rất tốt sự thay đổi đột ngột nhiệt độ của môi trường.
 Các bước thực hiện công đoạn theo trình tự là: ( Chết tạo ông trong và ống ngoài) cắt →
làm tròn đáy → nối ống thoát khí (ống hút khí) → tôi lửa → kiểm tra dò.
 Ghi chú: Việc lựa chọn chất liệu làm ông thuỷ tinh chân và các bước tiến hành công đoạn
sản xuất ống không tốt sẽ làm ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng ống.
2. Rửa Sạch:
 Đối với ống chân không việc rửa sạch cũng không kém phần quan trọng. Nhà sản xuất đã
dùng nước Ion tinh khiết để rửa ống. Sau 3 lần rửa, ống chân không sẽ được sấy khô
trong lò sấy khô ở nhiệt độ thích hợp.
3. Phun mạ:
 Đây là phần rất quan trọng, công đoạn phun sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất hấp thụ
nhiệt của ống cũng như tuổi thọ của ống. Ống chân không áp dụng công nghệ phụ mạ
Magnetron (Điều khiển từ), thông qua sự phóng điện phát sáng, làm các ion khí mang
cực dương oanh kích bề mặt của ống trong tạo độ kết dính, tạo các phun xạ phóng ra các
nguyên tử và các kết cấu kim loại trên bề mặt, đồng thời lắng tụ thành lớp màng tại bề
mặt ngoài của ống trong ( Phần được phun mạ là lớp ngoài của ống trong, phần này
không tiếp súc với nươc sử dụng nên không ảnh hưởng tơi vệ sinh của nước). Ống chân
không của máy năng lượng được phun mạ 3 lớp (SS – CU – Ti – N/AL đây là công nghệ
độc quyền của EDIG SOLAR – ISRAEL với sự chuyển dao từ Chiryu Solar –Japan). Lớp
trong cùng là lớp tạo độ bám bề mặt với công nghệ Magnetron. Hai lớp bên ngoài là lớp
hấp thụ được phun xạ với công nghệ Nanomax bui kim loại [Lớp kết dính bề mặt] –
[Đồng + Titan] – [Nhôm + chất hấp thụ] làm tăng hiệu suất hấp thụ lên 96%. Đây là điểm
rất khác biệt của ống so với những ống loại thường (CU –AL – N/Al) (Đồng - Nhôm –

Chất hấp thụ) hiện có trên thị trường. Ống chân không của máy là ống có màu đỏ.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 15


Hàn miệng ống:
 Việc hàn đầu ông strong và ngoài của máy nước nóng năng lượng mặt trời thực hiện tại
nhiệt độ 4000c , công nghệ và kỹ thuật hàn đầu ống của máy được tiến hành đồng bộ.
Nếu là sản phẩm loại thường có mặt trên thị trường hiện nay thì đa phần thực hiện công
đoạn hàn lẻ tẻ và riêng biệt. Chính vì vậy độ chính xác không cao do làm thủ công, điều
này dẫn đến chất lượng của từng ống chan không cùng loại không đồng đều tại một mức
độ nào đó.
5. Thoát khí (Hút chân không):
 Công đoạn hút chân không sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng ống và hiệu suất hấp
thụ. Đối với ống chân không của máy, việc hút không khí ra ngoài được thực hiện với
nhiệt độ dưới 400 độ C. Ống chân không của máy có chất liệu là thủy tinh Borosillicate
(3.3 ± 0.1) x 10-6K-1, độ dày 1.6mm nên được hút chân không trong thời gian là 48h,
vượt xa so với những loại thường. Hiện nay trên thị trường máy nước nóng năng lượng
mặt trời, những ống chân không thường chỉ hút được chân không 25 đến 30 giờ, lí do là
chất liệu thủy tinh kém chất lượng và quá mỏng nên việc hút chân không trong thời gian
dài sẽ dẫn đến tình trạng ống bị nổ. Khi ống chân không có thời gian hút chân không quá
ngắn sẽ không hết không khí trong ống và gây ra hiện tượng mất nhiệt đối lưu, sau một
thời gian sử dụng thì hiện tượng hiệu ứng nhà kính xuất hiện, hơi nước lắng đọng sẽ làm
bong tróc lớp phun mạ, ống coi như không thể sử dụng được nữa.
4.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 16


6. Dung dịch hút khí phân tán hơi và ổn định chân không
Để nâng cao độ chân không, ống chân không của máy dùng dung dịch hút kết hợp với thanh
Bari để làm phân tán hơi nước dưới nhiệt độ cao hình thành bề mặt kính khử không khí. Sau
công đoạn này, ống được hàn kín và được thử nghiệm trước khi đóng gói để xuất xưởng.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 17


QUY TRÌNH LẮP ĐẶT MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Phần 1 : chuẩn bị
Phần đế phải được đặt trên mặt phẳng cố định, các đế chân bắt cố định chắc chắn với
mặt phẳng.Lắp máy năng lượng quay về hướng nam hoặc nam chếch tây 10 độ là hiệu quả
nhất.
Khoảng cách từ bồn cấp nước đến máy năng lượng mặt trời phải đảm bảo đủ áp lực.
Trường hợp quá thấp hoặc quá cao phải sử dụng bình điều áp.

Chuẩn bị đầy đủ linh phụ kiện, dụng cụ hỗ trợ lắp đặt sẵn sàng như : cờ lê, mỏ lết, tua
vít , kềm nước, máy hàn…
Khi lắp đặt phải tránh những nơi như đường dây điện, cây cao, lắp sát mép tường.

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 18

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 19


Phần 2 : Lắp Máy
Đầu tiên chúng ta lắp thanh đứng với giá đỡ bình bảo ôn, sau đó lắp thanh chéo bên
Lắp thanh ngang bên trái và bên phải
Lắp thanh dằn sau và hai thanh chéo
Lắp giá đỡ ống và hai thanh dằn giá đỡ ống

Sau khi lắp đặt xong phải dung cờ lê, tua vít siết chặt toàn bộ bu lông lại cho thật chắc
chắn trước khi lắp đặt các phần khác.
Tiếp theo chúng ta lắp bình bảo ôn, hướng chân vịt xuống dưới đưa nhanh vào khe
chờ của giá đỡ bình sau đó lắp hai ống của hai đầu bình bảo ôn, chỉnh cho ống cân với bình
bảo ôn rồi siết chặt bốn ốc ở bình bảo ôn.

Đóng nắp bịt dưới bình bảo ôn

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 20


cao

Lắp ống chân không: đầu tiên chúng ta bôi xà phòng để tạo độ trơn, sau đó lắp roan
su
vào
ống

Lưu ý lắp hai ống chân không ở hai bên trước để cố định sau đó mới lắp toàn bộ ống
Quấn băng cao su non ngược chiều ren đưa vào tận tâm sau đó lắp ống cút vào bình
bảo ôn và cuối cùng là hàn nhiệt

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 21


Ống thoát khí phải cao hơn bồn nước từ 10 – 20 cm

Nên vô nước từ 6h – 7h sáng để tránh trường hợp hấp thụ nhiệt làm vỡ ống chân
không.
Lúc lắp nên lắp 1 van đường vào, 1 van đường ra để tiện cho việc sửa chữa bảo hành

ThS. HOÀNG TRÍ

Page 22


ThS. HOÀNG TRÍ

Page 23