Đánh giá tiềm năng sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời cho tỉnh lâm đồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------Ơ----------------

TRẦN THANH DŨNG

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG SỬ DỤNG
THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG BẰNG NĂNG
LƯNG MẶT TRỜI CHO TỈNH LÂM ĐỒNG
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ NHIỆT
MÃ SỐ 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2006


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------Ơ----------------

TRẦN THANH DŨNG

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG SỬ DỤNG
THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG BẰNG NĂNG
LƯNG MẶT TRỜI CHO TỈNH LÂM ĐỒNG
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ NHIỆT
MÃ SỐ 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2006


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Cán bộ chấm nhận xét 1

Cán bộ chấm nhận xét 2

Luận văn thạc só được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, ngày …..tháng…..năm 2006


Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên TRẦN THANH DŨNG
Phái Nam
Ngày, tháng, năm sinh 01 - 01 - 1972
Nơi sinh LONG AN

Chuyên ngành Công nghệ Nhiệt
Mã số 60.52.80
I.
TÊN ĐỀ TÀI
Đánh giá tiềm năng sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời
cho tỉnh Lâm Đồng.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời để sản
xuất nước nóng.
2. Nghiên cứu lý thuyết xây dựng chương trình tính toán mô hình tính toán cho
hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời loại tấm phẳng đối lưu tự
nhiên.
3. Xây dựng chương trình tính toán.
4. Kiểm chứng kết quả tính toán của chương trình.
5. Đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt
trời cho tỉnh Lâm Đồng.
6. Nhận xét và kết luận.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
03 - 07 - 2006
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
03 - 12 - 2006
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. NGUYỄN THẾ BẢO
VI. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1
VII. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày tháng năm 2006
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi . Các số liệu kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác .
Tác giả
TRẦN THANH DŨNG


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đến TS. Nguyễn
Thế Bảo, người đã tận tình truyền đạt kiến thức, trực tiếp hướng dẫn thực hiện
luận văn và có nhiều góp ý quan trọng quý giá cho nội dung luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô của bộ môn Công Nghệ
Nhiệt cũng như các thầy cô của Đại Học Bách Khoa Tp. HCM đã giảng dạy
và đã có nhiều ý kiến đóng góp cho việc hoàn thành luận văn.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên Cao học ngành Công
Nghệ Nhiệt K14, K15 Ban Lãnh Đạo, đồng nghiệp tại Trung Tâm Kiểm Định

Kỹ Thuật An Toàn Khu Vực 2, đặc biệt là anh Trần Hồng Hà đã hết lòng giúp
đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành chương trình Cao học và
luận văn tốt nghiệp.
Thành công của luận văn còn thể hiện biết ơn sâu sắc đến những người
thân thương và bạn bè đồng nghiệp đã hỗ trợ và động viên tác giả trong suốt
thời gian thực hiện luận văn này.

Tác giả
TRẦN THANH DŨNG


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Kết cấu luận văn gồm 7 chương, trong đó
Chương 1 Đặt vấn đề cho luận văn từ các điều kiện khách quan về vấn đề
nhu cầu nước nóng và tiết kiệm năng lượng. Qua đó cần có một công cụ để
phân tích đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống nước nóng sử dụng năng
lượng mặt trời.
Chương 2 Trình bày tổng quan về tình hình sử dụng hệ thống nước nóng
sử dụng năng lượng mặt trời dạng collector tấm phẳng trên thế giới và ở Việt
Nam. Giới thiệu về một số hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời,
cấu tạo và sơ đồ tiêu biểu.
Chương 3 Trình bày cơ sở lý thuyết về năng lượng mặt trời, lý thuyết về
collector tấm phẳng và hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời đối
lưu tự nhiên. Giải thuật tính toán.
Chương 4 Giới thiệu về vị trí địa lý và đặc điểm khí hậu của Lâm Đồng.
Các số liệu thời tiết của Thành Phố Đà Lạt và khả năng ứng dụng nước nóng
sử dụng năng lượng mặt trời.
Chương 5 Kết quả tính toán của chương trình, so sánh và đánh giá chương
trình với các số liệu thời tiết cho Thành Phố Hồ Chí Minh và Thành Phố Đà
Lạt. Phân tích tìm các thông số tối ưu khi lắp đặt hệ thống nước nóng sử dụng

năng lượng mặt trời cho Thành Phố Đà Lạt.
Chương 6 Giới thiệu phương pháp phân tích, đánh giá hiệu quả kinh tế cho
nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời. Đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống
đối với Thành Phố Đà Lạt.
Chương 7 Trình bày các kết luận và đề nghị hướng phát triển, nghiên cứu
tiếp theo của luận vaên.


MỤC LỤC
Chương 1- MỞ ĐẦU

1

1.1

Đặt vấn đề

2

1.2

Mục tiêu nghiên cứu

4

1.3

Thể thức nghiên cứu

5

1.4

Giới hạn đề tài

5

1.5

Tham khảo tài liệu

5

1.6

Định nghóa các thuật ngữ cơ bản

6

Chương 2 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯNG MẶT TRỜI DẠNG TẤM PHẲNG
2.1

Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời để đun nước nóng
trên thế giới

9

2.2

Tình hình nghiên cứu, sử dụng năng lượng mặt trời để đun
nước nóng và khả năng ứng dụng ở Việt Nam

13

2.3 Tổng quan về hệ thống nước nóng mặt trời sử dụng
collector tấm phẳng đối lưu tự nhiên

19

Chương 3 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 Năng lượng bức xạ mặt trời

27

3.2 Lý thuyết collector tấm phẳng

37

Chương 4 - ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
HỆ THỐNG NNMT TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ LẠT
4.1

Đặc điểm chung

63

4.2

Vị trí địa lý

65

4.3

Đặc điểm khí hậu

66

4.4

Tiềm năng sử dụng nước nóng trong sinh hoạt

70

Chương 5 - KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ BÀN LUẬN
5.1 Biểu đồ nước nóng sử dụng hàng ngày

74


5.2

Thực nghiệm

77

5.3

Cơ sở dữ liệu về thời tiết sử dụng để tính toán trong chương

trình

85

5.4 Kết quả chương trình và so sánh kết quả

86

5.5

nh hưởng các thông số đến hệ số hiệu quả hệ thống( fR)

93

5.6

Lựa chọn các thông số để hệ thống có giá trị fR tối ưu cho
Thành Phố Đà Lạt

99

Chương 6 - PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KINH TẾ
6.1

Thời gian hoàn vốn

106

6.2

Kết quả tính toán kinh tế cho hệ thống nước nóng sử dụng
bằng năng lượng mặt trời cho Thành Phố Đà Lạt.

110

6.3

Tính toán cho khách sạn Châu u

116

Chương 7 - KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ
Kết luận

125

Đề nghị

126

Tài liệu tham khảo

128

Phụ lục
Phụ lục 1 – Kết quả đo thực nghiệm

132

Phụ lục 2 – Nhiệt độ trung bình năm 2004 và bức xạ trung bình

từ 2001-2004 của Thành Phố Đà Lạt

136

Phụ lục 3 – Nhiệt độ hàng ngày của Thành Phố Hồ Chí Minh

140

Phụ lục 4 – Code của chương trình SOLHEAT

156


CÁC KÝ HIỆU
α

hệ số hấp thụ, hệ số toả nhiệt đối lưu

β

góc đặt nghiêng collector so với mặt phẳng ngang

δ

góc lệch của mặt trời, bề dày lớp cách nhiệt

φ

vó độ

λ

hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt

γ

góc phương vị của bề mặt khảo sát

η

hiệu suất nhiệt

θ

góc tới của tia trực xạ θ

θZ

góc thiên đỉnh của mặt trời

ρ

hệ số phản xạ, khối lượng riêng

τ

hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia mặt trời

(τα)

tích số hấp thụ-truyền qua

ω, ωS

góc giờ mặt trời

ε

độ đen

A

độ cao của người quan sát, diện tích

Ac

diện tích mặt trên(mặt đáy) của collector

a

góc cao độ của mặt trời, chỉ số nhiệt độ môi trường

b

bề rộng mối hàn, chỉ số thành phần trực xạ

bc

chỉ số thuộc bình chứa nước

C

tổng chi phí lắp đặt

Cp

nhiệt dung riêng

Cb

nhiệt trở mối hàn

c

chỉ số lạm phát, chỉ số thuộc collector

D

đường kính


d

đường kính trong của ống dẫn, chỉ số thành phần khuyếch tán, thuộc
mặt đáy

E

năng lượng bức xạ

F

hiệu suất cánh, chi phí bảo trì

f

hệ số ma sát, solar fraction, chỉ số chỉ về chất lỏng

G

tổng lợi nhuận, hằng số mặt trời

g

gia tốc trọng trường, chỉ số thuộc ống góp

H

chiều cao

Hc

bề cao của collector

h

tổn thất (áp suất, ma sát)

I

cường độ bức xạ

i

chỉ số đầu vào

K

hệ số suy giảm của tấm phủ

L

chỉ số tổn thất, chỉ số tải sử dụng

Lc

bề dài của collector

L0

chiều dài nằm ngang của ống dẫn lưu thông

l

chiều dài tương đương của ống dẫn

M

khối lượng

(M.C)

nhiệt dung của một thành phần

ṁc

lưu lượng nước lưu thông qua collector

ṁL

lưu lượng nước nóng sử dụng

N

số lượng, số năm, chỉ số thuộc mặt phẳng nằm ngang

n

số rãnh(ống) dẫn môi chất trong collector, chỉ số chỉ trung bình

o

chỉ số thuộc đầu ra

p

chỉ số chỉ về tấm hấp thụ

Qu

năng lượng hữu ích nhận được của collector


Qin

năng lượng hấp thụ được của collector do bức xạ mặt trời

QL

năng lượng tổn thất của collector ra môi trường xung quanh

Qt

năng lượng tổn thất của collector qua mặt trên

Qd

năng lượng tổn thất của collector qua mặt đáy

Qb

năng lượng tổn thất của collector qua mặt bên

R

nhiệt trở, hệ số chuyển đổi tổng xạ

r

chỉ số chỉ thành phần bức xạ

S

tổng bức xạ hữu ích collector nhận được

s

chỉ số nhiệt độ hiệu dụng

T

nhiệt độ, chỉ số thuộc mặt phẳng nghiêng

t

thời gian, chỉ số thuộc về bình chứa nước

td

chỉ số về mặt đáy của bình chứa nước

tt

chỉ số về thân trụ của bình chứa nước

U

hệ số tổn thất

(U.A)

hệ số tổn thất toàn bộ cho một thành phần

W

chiều rộâng cánh, đơn vị công suất

Wc

bề rộng của collector

w

chỉ số thuộc về phía chất lỏng

V

vận tốc của gió


1

Chương 1

MỞ ĐẦU


2

1.1

Đặt vấn đề
Cùng với sự tăng trưởng kinh tế chung của cả nước, mức sống của nhân

dân ngày càng được cải thiện. Người dân sử dụng năng lượng ngày càng
nhiều để phục vụ cho các sinh hoạt hàng ngày. Năng lượng sử dụng chủ yếu
hiện nay trong gia đình là điện năng : thắp sáng, đun nước nóng, cho các thiết
bị điện gia dụng như bàn ủi, máy điều hoà nhiệt độ, tủ lạnh, máy thu hình,..
Mức sống người dân ngày càng được nâng cao nên có nhu cầu sử dụng càng
nhiều các tiện nghi trong sinh hoạt hàng ngày. Trong các nhu cầu trong sinh
hoạt hàng ngày trong hộ gia đình ở khu vực thành thị thì nhu cầu sử dụng nước
nóng sử dụng cho tắm, giặt chiếm tỷ trọng lớn. Hiện nay, chủ yếu sử dụng
điện năng để đun nóng nước bằng các thiết bị đun nóng trực tiếp hoặc gián
tiếp. Khu vực ngoại thành và nông thôn thường sử dụng các dạng năng lượng
khác như củi, than, dầu, LPG,.. để đun nóng nước. Riêng khu vực Thành Phố
Hồ Chí Minh hiện ước tính có hơn 100.000 bình nước nóng dùng điện đang sử
dụng và hàng tháng nhập khẩu gần 1000 bộ mới. Đồng nghóa lưới điện phải
cung cấp 100.000 kW cho các bình nước nóng này. Nếu nhìn trên góc độ phải
đầu tư thêm nguồn điện nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước nóng đang gia
tăng hàng tháng tại Thành Phố Hồ Chí Minh thì nhà nước phải đầu tư 5,32
triệu USD cho việc lắp đặt thêm nhà máy nhiệt điện cũng như hệ thống
chuyển tải và phân phối điện. Nếu nhìn từ khía cạnh môi trường, việc sử dụng
100.000 bình nước nóng đã góp phần làm tăng các khí thải gây nên hiệu ứng
nhà kính. Nếu mỗi bình nước nóng được sử dụng 1 giờ mỗi ngày thì lượng khí
CO2 thải vào bầu khí quyển tăng lên 2.800 tấn hàng tháng hay 33.600 tấn CO2
hàng năm, [2].
Chính sách sử dụng điện năng ở nước ta còn nhiều bất cập, định mức sử


3

dụng điện trong hộ gia đình hiện nay đang khống chế theo định mức cho từng
hộ gia đình là 200 kWh/tháng/hộ gia đình. Định mức này không đáp ứng được
cho nhu cầu sinh hoạt, nguyên nhân là ngành điện chưa đáp ứng được nhu
cầu. Nếu như hộ gia đình sử dụng điện vượt định mức thì người dân phải trả
thêm phần vượt định mức với giá luỹ tiến theo số điện năng tiêu thụ. Đối với
các khu du lịch, các nhà hàng khách sạn, khu nghó dưỡng… thì nhu cầu sử dụng
nước nóng là không thể thiếu và chi phí phải trả chiếm tỷ trọng lớn trong cán
cân sử dụng năng lượng.
Việt nam có khí hậu nhiệt đới, bức xạ ngày trung bình hằng năm thay đổi
từ 12 MJ/m2 cho các vùng phía Bắc đến 19 MJ/m2 cho các vùng phía Nam, với
số giờ nắng trung bình thay đổi từ 4 đến 8 giờ mỗi ngày. Việt Nam được xem
là quốc gia có trữ lượng cao về năng lượng mặt trời và có tiềm năng rất lớn về
sử dụng năng lượng mặt trời. Tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa có những
nghiên cứu mang tính hệ thống về khả năng ứng dụng nước nóng sử dụng
năng lượng mặt trời (NNMT) tại Việt Nam. Sử dụng thiết bị thu năng lượng
mặt trời để sản xuất ra nước nóng, thay thế sự phụ thuộc vào điện năng hiện
nay là giải pháp tốt cho hộ gia đình. Tuy nhiên, đánh giá khả năng ứng dụng
công nghệ thu năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng cho sử dụng cho
mục đích sinh hoạt là vấn đề cần thiết. Đặc biệt là nghiên cứu ứng dụng các
công nghệ này nhằm giảm bớt gánh nặng cho lưới điện quốc gia, nâng cao
hiệu quả sử dụng năng lượng và hạn chế ô nhiễm môi trường là vấn đề đang
được đặt ra cho các nhà khoa học nước ta.
Cho đến ngày nay, hệ thống NNMT cho nhu cầu sinh hoạt là một trong
những ứng dụng rộng rãi và thành công nhất của năng lượng tái tạo nói chung
và năng lượng mặt trời (NLMT) nói riêng. Đã có rất nhiều nghiên cứu, cả lý


4

thuyết lẫn thực nghiệm các hệ thống NNMT cho cả 2 loại : đối lưu tự nhiên và
đối lưu cưỡng bức. Hệ thống NNMT gồm nhiều phần : bộ hấp thụ, bồn chứa,
bơm, bộ trao đổi nhiệt, đường ống và bộ kiểm soát. Chúng được liên kết với
nhau qua những bộ phận chức năng riêng biệt. Vì vậy việc xác định kích
thước của hệ thống là vấn đề phức tạp bao gồm các yếu tố liên quan nhau
cũng như các điều kiện về khí hậu và kinh tế xã hội của địa điểm khảo sát.
Hiện nay, để đánh giá về khả năng ứng dụng NNMT vào một vùng địa lý trên
lãnh thổ nước ta thường được nghiên cứu bằng thực nghiệm và dùng các
chương trình tính toán-mô phỏng. Chương trình mô phỏng hệ thống NNMT
cho điều kiện khí hậu Việt Nam hiện nay có chương trình VIETSIM(Vietnam
Simulation Program),[3], một phần mềm chuyên dùng cho việc thiết kế, mô
phỏng và tính toán hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của các hệ thống NNMT loại
đối lưu cưỡng bức. Đối với hệ thống NNMT loại đối lưu tự nhiên hiện đang sử
dụng phổ biến ở nước ta, chưa có phần mềm tính toán cho hệ thống này.
Từ những lý do khách quan nêu trên, cần có công cụ để đánh giá khả
năng ứng dụng hệ thống NNMT loại đối lưu tự nhiên cho điều kiện khí hậu ở
nước ta là vấn đề cần thiết. Đặc biệt khi muốn đầu tư hệ thống NNMT vào
vùng địa lý ở nước ta, cần có các công cụ để có thể đánh giá, phân tích lựa
chọn loại hệ thống NNMT thích hợp.
1.2

Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu của luận văn là viết chương trình tính toán cho hệ thống

NNMT sử dụng collector tấm phẳng loại đối lưu tự nhiên. Tính toán năng
lượng hữu ích nhận được và đưa ra các thông số đặc trưng của hệ thống. Tính
toán phân tích hiệu quả kinh tế của hệ thoáng.


5

- Sử dụng phần mềm thu được từ nghiên cứu đánh giá khả năng ứng
dụng hệ thống NNMT cho Tỉnh Lâm Đồng.
1.3

Thể thức nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu đã đề ra ở trên của luận văn thì phương pháp

nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:
- Nghiên cứu lý thuyết đưa ra mô hình tính toán nhiệt cho hệ thống
NNMT.
- Xây dựng phần mềm tính toán.
- Thực nghiệm, sử dụng số liệu đo đạc thực tế để so sánh và đánh giá
chương trình.
- So sánh kết quả của chương trình với các chương trình khác.
1.4

Giới hạn đề tài

Trong hệ thống NNMT loại đối lưu hiện nay thường sử dụng collector
tấm phẳng và collector ống chân không với bình chứa nước nằm ngang. Trong
phạm vi đề tài nghiên cứu, tác giả chỉ xây dựng phần mềm tính toán cho hệ
thống NNMT sử dụng collector tấm phẳng với bình chứa nước nằm ngang và
được nghiên cứu và chế tạo ở trong nước. Thực nghiệm đo đạc các thông số
vận hành thực tế ở điều kiện khí hậu của Thành Phố Hồ Chí Minh. Sử dụng
số liệu khí tượng của Thành Phố Đà Lạt để đánh giá khả năng ứng dụng của
hệ thống.
1.5

Tham khảo tài liệu

6

Trên thế giới có chương trình máy tính để mô phỏng các hệ thống nước
nóng mặt trời, là dụng cụ rất hữu hiệu và có ích để xác định kích thước thiết
kế tối ưu cho hệ thống. Đã có một số chương trình máy tính được viết cho nhu
cầu này như : TRNSYS, WATSUN và T*SOL.
TRNSYS rất nổi tiếng và được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, được
phát triển bởi Trường Đại Học Wisconsin - Madison. TRNSYS được viết bởi
ngôn ngữ FORTRAN cho nên người sử dụng vẫn cần kiến thức về ngôn ngữ
này. TRNSYS dùng để mô phỏng nhiều loại hệ thống nhiệt mặt trời khác
nhau.
Cũng như TRNSYS, WATSUN và T*SOL dùng để mô phỏng nhiều
loại hệ thống nhiệt mặt trời khác nhau, tuy nhiên việc tiếp cận để sử dụng các
chương trình này ở Việt Nam còn rất nhiều hạn chế, chủ yếu là tiền phải mua
bản quyền sử dụng .
Chương trình VIETSIM của TS. Nguyễn Thế Bảo là chương trình mô
phỏng chỉ thực hiện với các hệ thống nước nóng mặt trời đối lưu cưỡng bức,
viết riêng cho điều kiện khí hậu của Việt Nam. Đây là chương trình mô phỏng
hoàn chỉnh nhất với các dữ liệu thời tiết cho các vùng trên lãnh thổ Việt Nam
được mô phỏng khi biết được giá trị thông số trung bình tháng(nhiệt độ, bức
xạ, tốc độ gió,..) của vùng đó.
Hiện nay ở Việt Nam chưa có phần mềm chương trình tính toán cho hệ
thống nước nóng mặt trời loại tấm phẳng đối lưu tự nhiên với bình trữ nhiệt
nằm ngang. Vì vậy, nghiên cứu này hy vọng là một trong những bước đầu tiên
về việc tính toán hệ thống nước nóng mặt trời, phục vụ cho nghiên cứu tính
toán cho các khu vực ở nước ta cũng như góp phần phổ biến thông tin và cổ
động ứng dụng nước nóng năng lượng mặt trời trong nước.

7

1.6 Định nghóa các thuật ngữ cơ bản
Collector : thiết bị thu nhận năng lượng bức xạ mặt trời dựa vào hiệu ứng
lồng kính để chuyển hoá quang năng thành nhiệt năng. Tuỳ theo mục đích sử
dụng, môi chất làm việc trong collector có thể là nước, không khí…
Combisystem : hệ thống kết hợp là hệ thống nhiệt sử dụng năng lượng
mặt trời vừa cung cấp nước nóng và sưởi ấm ở các nước Trung và Bắc u, kết
hợp cung cấp nước nóng và sưởi ấm (mùa đông) hoặc điều hoà không khí
(vào mùa hè) cho các nước Nam u.


8

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯNG MẶT TRỜI DẠNG
TẤM PHẲNG


9

2.1 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời để đun nước nóng trên thế giới
Hiện nay vào khoảng 82% năng lượng sử dụng trên thế giới được cung
cấp từ than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ và uranium, khoảng 12% cung cấp từ
năng lượng sinh khối (biomas) và còn lại 6% cung cấp từ thủy điện,[23]. Nhu
cầu năng lượng hiện nay trên thế giới đang tăng cao, những nguồn năng lượng

truyền thống như nhiên liệu hoá thạch (dầu mỏ, khí đốt, than …) hiện là nguồn
năng lượng chủ yếu cho các nhu cầu năng lượng của các nước trên thế giới.
Giá nhiên liệu ngày càng cao và việc sử dụng nhiên liệu hoá thạch đang ảnh
hưởng đến môi trường trái đất.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về sử dụng năng lượng và hạn chế bớt
tác động đến môi trường, các Nhà khoa học và Nhà quản lý ở các nước trên
thế giới đã nghiên cứu tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế dần nguồn
năng lượng hoá thạch. Các nước công nghiệp đang nhận thức rõ hiểm họa cạn
kiệt năng lượng và có những chính sách mạnh và cụ thể để phát triển năng
lượng tái tạo cũng như tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Trên thế giới nói
chung năng lượng mặt trời được nghiên cứu sử dụng theo các hướng :
-

Biến đổi thành nhiệt và sử dụng ở dạng nhiệt năng (nước nóng, sấy,

sưởi,…).
-

Biến đổi thẳng thành điện qua các photocell và PV panel.

-

Tập trung (hội tụ) nhằm mục đích có nhiệt độ rất cao để nung hay phát

điện.
Trong ba hướng kỹ thuật biến đổi năng lượng mặt trời trên thì các ứng
dụng nhiệt và biến đổi thành điện nhờ photocell là hai hướng phát triển maïnh


10

nhất. Trong các ứng dụng thu nhiệt mặt trời làm nóng nước, người ta chia ra
thành 3 loại :
•

Loại nhiệt độ thấp : chỉ cần < 450C.

•

Loại nhiệt độ trung bình từ 450C đến 800C.

•

Loại nhiệt độ cao > 800C.

Loại nhiệt độ thấp và trung bình ứng dụng nhiều vào cung cấp nước nóng
phục vụ trong sinh hoạt và dân dụng. Ứng dụng nhiệt độ cao được sử dụng vào
cung cấp nhiệt cho công nghiệp như cung cấp cho máy lạnh hấp thụ, gia nhiệt
nước cho lò hơi,… Tuy nhiên sự phân loại này chỉ mang ý nghóa tương đối theo
mục đích sử dụng.
Chính phủ các nước của Liên minh Châu Âu có chính sách khuyến khích
sử dụng năng lượng mặt trời qua miễn thuế, cho vay dài hạn lãi suất thấp, tài
trợ nghiên cứu và phát triển... bảng 2.2. Ủy Ban Châu Âu đã đưa ra trong sách
trắng (the White Paper: ‘Energy for the future, renewable sources of energy’),

muïc tiêu nâng tỷ lệ 6% nguồn năng lượng mới hiện nay lên 12% vào năm
2010. Mức tiêu thụ năng lượng cho các tòa nhà chiếm khoảng 40% tổng năng
lượng sử dụng, trong đó có 75% dùng cho nước nóng và sưởi ấm không gian sử
dụng. Đến năm 2000 chỉ có 0,11% tổng năng lượng cấp trong các toà nhà là
được cung cấp bởi hệ thống năng lượng mặt trời. Mục tiêu đến năm 2010 sẽ

nâng lên mức 1.18%. Mức tăng trưởng 20% diện tích các collector được lắp
đặt và hiện nay có khoảng 18 triệu m2 collector đã lắp đặt ở Châu Âu và mục
tiêu đến năm 2010 sẽ có khoảng 100 triệu m2 bộ đun nước nóng mặt trời được
lắp đặt ở Châu u, xem bảng 2.1 và hình 2.1. Những nước dẫn đầu Châu Âu
là Đức (2,3 triệu m2), Áo (1,5 triệu m2) và Hy Lạp (2,7 triệu m2). Nước Mỹ
cũng có mục tiêu cụ thể, vào năm 1998, Tổng Thống B.Clinton đưa ra chương


11

trình 1 triệu mái nhà năng lượng mặt trời cho đến 2010. Hiện nay ở Mỹ hàng
năm sản xuất hơn 700 000m2 tấm thu nhiệt mặt trời loại nhiệt độ thấp. Một bộ
nhiệt mặt trời làm nóng nước bên Mỹ có giá từ 1500$ trở lên. [23]
Bảng 2.1 – Collector dạng tấm phẳng sản xuất ở Châu u- năm 1994
Nước

Sản lượng tấm thu nhiệt mặt trời

CHLB ĐỨC

170 000 m2

HY LẠP

165 000 m2

ÁO

100 000 m2

LIÊN HIỆP ANH

40 000 m2

ĐAN MẠCH

20 000 m2

CÁC NƯỚC KHÁC

55 000 m2
550 000 m2

TOÀN CHÂU ÂU

Bảng 2.2 – Mức giảm thuế của 5 nước Châu u
Nước

Mức thuế VAT
chuẩn (%)

VAT cho hệ thống năng
lượng mặt trời (%)

United Kingdom

17,5

5

France

19,6

5,5–19,6

Italy

20

10

Portugal

17

12

Ireland

21

12,5


12

Úc là một nước cũng có ngành công nghiệp hệ đun nước mặt trời khá phát
triển. Họ có các công ty xuất khẩu nhiều các bộ đun nước mặt trời ra nước
ngoài (chiếm khoảng 30% số họ sản xuất được), trong đó xuất khẩu sang Việt

Nam với thương hiệu là Solarhart. Thành tựu nổi tiếng của Úc là làng Olympic
Sydney được cung cấp nước nóng hoàn toàn từ hệ thống NNMT, điện cũng
được cung cấp phần lớn qua PV panel cho làng Olympic. Trung Quốc cũng
phát triển mạnh về máy nước nóng mặt trời sử dụng ống chân không, trong
năm 2000 Trung Quốc đã xuất xưởng hơn 1 triệu ống chân không và với hơn
1000 nhà sản xuất và buôn bán các thiết bị NLMT. Số liệu thống kê 1994 cho
thấy rằng tổng cộng trên thế giới có 6,5 triệu bộ đun nước mặt trời dạng tấm
phẳng . Nhật Bản, Israel là nước dẫn đầu Châu Á về sử dụng bộ đun nước
nóng mặt trời. Đến năm 2001, Nhật bản có trên 7,2 triệu m2 riêng trong năm
2001 có hơn 314.000 m2 được lắp đặt mới và Israel có trên 3,5 triệu m2
collector dạng tấm phẳng được lắp đặt trong đó năm 2000 có hơn 450.000 m2
được chế tạo.[8]
Bảng 2.3 – Collector nước nóng mặt trời đã lắp đặt một số nước trên thế
giới - năm 1994
Nước

Diện tích collector đã lắp đặt

Các nước vùng Trung Đông

8,5 triệu m2

Mỹ

6,5 triệu m2

Nhật Bản

6 triệu m2

Châu Âu

5,6 triệu m2

Úc

2,5 triệu m2

Trung Quốc

1,5 triệu m2


13

Dự báo Châu u sẽ có 100 triệu m2 bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời để
đun nước nóng vào năm 2010. Các nước phát triển sẽ có sự tăng trưởng
khoảng 20%/năm. Đây là mức tăng trưởng rất cao so với mức tăng trưởng
chung của các ngành. Hiện tại ở Châu Âu, hệ thống kết hợp (combisystems),
xem hình 2.1, cũng đang được nghiên cứu và ứng dụng nhằm nâng cao hiệu
quả sử dụng năng lượng. [8],[21] và [31]

Hình 2.1 - Dự báo diện tích collector mặt trời được lắp đặt ở Châu u đến
năm 2010, [21]
2.2 Tình hình nghiên cứu, sử dụng năng lượng mặt trời để đun nước nóng
và khả năng ứng dụng ở Việt Nam
Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, có số giờ nắng trong năm
cao và thời gian chiếu sáng mặt trời trong ngày dài. Do đó thích hợp sử dụng
các thiết bị sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để cung cấp nước nóng dùng
trong sinh hoạt cho hộ gia đình, các nơi vui chơi giải trí hoặc cho các nhà

hàng, khách sạn. Thời gian chiếu sáng trung bình trong một năm từ 2000 đến
2600 giờ, bảng 2.4 và bảng 2.5. Ở các tỉnh phía Nam số giờ nắng trung bình
trong ngày khoảng 6.5 giờ , cường độ tổng lượng bức xạ trung bình ngày trong