Nghiên cứu khả năng ứng dụng hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời sử dụng ống chân không tại việt nam

trang 1 / 171

Chương 1

MỞ ĐẦU


trang 2 / 171

1.1 Đặt vấn đề:
Trong quá trình xây dựng và phát triển đất nước, nhu cầu sử dụng năng lượng
ngày càng cao. Trước tình hình:
+ Nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt dần
+ Hiệu ứng nhà kính và chống phát thải gây ơ nhiễm mơi trường là nguyên nhân
chính buộc chính phủ các quốc gia phải chung tay giải quyết.
Đặt ra cho chúng ta các vấn đề:
+ Tiết kiệm và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng hiện có.
+ Nghiên cứu, ứng dụng các nguồn năng lượng mới một cách hiệu quả và khả thi.
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
nước nóng 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,… 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 nghĩa lưới điện phải cung cấp 100.000kW cho các bình nước nóng này. Nếu
nhìn trên góc độ 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 mơi trường,
việc sử dụng 100.000 bình nước nóng đã góp phần làm tăng các khí thải gây nên hiệu
ứng nhà kính. Nếu 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.
Chính sách sử dụng điện năng ở nước ta còn nhiều bất cập, định mức sử dụng
điện trong hộ gia đình hiện nay đang khống chế theo định mức cho từng hộ gia đình


trang 3 / 171

là 200kWh/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 lũy
tiến theo số điện năng tiêu thụ. Đối với các khu du lịch, các nhà hàng khách sạn, khu
nghĩ dưỡng… thì nhu cầu sử dụng nước nóng là khơng thể thiếu và chi phí phải trả
chiếm tỷ trọng lớn trong cán cân sử dụng năng lượng.
1.2 Lý do làm đề tài
Trong các dạng năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời được coi là triển
vọng nhất (năng lượng sạch, nguồn vơ tận, miễn phí). Năng lượng mặt trời chủ yếu
tập trung gần đường xích đạo.
Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, khí hậu tương đối ổn định, tiềm năng về
năng lượng mặt trời được đánh giá rất cao. Khả năng sử dụng để đun nước nóng cho
sinh hoạt là rất hiệu quả và khả thi nhất.
Cho đến ngày nay, hệ thống nước nóng mặt trời (NNMT) cho nhu cầu sinh
hoạt là một trong những ứng dụng rộng rãi và thành cơng nhất của năng lượng tái tạo
nói chung và năng lượng mặt trời (NLMT) nói riêng. Đã có rất nhiều nghiệm cứu, cả
lý 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
phận 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 tốn - mơ phỏng. Chương trình mơ phỏng hệ
thống NNMT cho điều kiện khí hậu Việt Nam hiện nay có chương trình VIETSIM
(Vietnam Simulation Program), một phần mềm chun dùng cho việc thiết kế, mơ
phỏng và tính tốn 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 nay đang sử dụng phổ
biến ở nước ta, chưa có phần mềm tính tốn cho hệ thống này.


trang 4 / 171

Lý do chọn hệ thống ống chân không:
o Hệ thống nước chảy trong ống nối trực tiếp với bình chứa nằm ngang là
ý tưởng thành cơng nhất đang được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc cho
phương pháp trích nhiệt rất hiệu quả.
o So với tấm phẳng hệ thống ống chân khơng có nhiều ưu điểm về giá
thành, dễ chế tạo, Qu lớn
o Bộ gia nhiệt loại ống chân không hoạt động tốt hơn loại ống phẳng ở
nhiệt độ cao. Mặc dù nhiệt độ của hệ thống tăng cao nhưng hiệu quả
của Collector ống chân không giảm rất ít (có thể ứng dụng cho nước
nóng sinh hoạt và cả nấu ăn).
o Hệ thống nhận nhiệt đều đặn hơn loại tấm phẳng nên sẽ cung cấp nước
nóng đều hơn.
o Hệ thống rất thích hợp với việc đối lưu tự nhiên (khi lưu lượng qua ống
tăng thì hiệu quả cũng gần như khơng đổi).
o Tính ứng dụng: Sử dụng thiết bị thu năng lượng mặt trời để sản xuất
nước nóng thay thế điện năng để giải quyết vấn đề cần thiết cho hộ gia
đình.
o Hệ thống có tính thẫm mĩ cao, dễ vận chuyển, lắp đặt làm tăng giá trị
của tịa nhà.
o Tính mới: cần có cơng cụ để đánh giá khả năng ứng dụng các hệ thống

NLMT loại đối lưu tự nhiên theo điều kiện nước ta.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu
Viết chương trình tính tốn cho hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời
cho loại Collector tấm phẳng và Collector ống chân không – So sánh kết quả:
+ hiệu suất Collector (η,%) giữa loại tấm phẳng với ống chân khơng.
+ Cho cái nhìn tổng qt từ nhiều kết quả khác
Dùng phần mềm để đánh giá khả năng sử dụng năng lượng mặt trời đun nước
nóng tại Việt Nam cụ thể ở khu vực TP. HCM, Đà Nẵng, Hà Nội.


trang 5 / 171

1.4 Phương pháp nghiên cứu – thực nghiệm
Kế thừa các thành quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngồi nước về
cơng nghệ đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời loại Collector tấm phẳng và loại
Collector ống chân không.
Nghiên cứu hệ thống lý thuyết để đưa ra mơ hình tốn cho hệ thống loại Collector
tấm phẳng và loại Collector ống chân không.
Đưa vào ứng dụng cho hệ thống Collector ống chân không ở điều kiện ở Việt
Nam.
Các dữ liệu khí tượng về bức xạ, nhiệt độ mơi trường, tốc độ gió từ các trung tâm
khí tượng hoặc các nghiên cứu được chuyển đổi theo giờ.
Sử dụng các số liệu đo đạt thực tế nhiệt độ trung bình của bình chứa phân tầng
nhiệt để so sánh và đánh giá chương trình.
1.5 Giới hạn đề tài
Trong hệ thống năng lượng mặt trời loại đối lưu tự nhiên, hiện nay loại
Collector ống chân không chiếm ưu thế. Phạm vi đề tài xây dựng phần mềm tính tốn
cho cả hai loại để có cơ sở so sánh ứng dụng.
Thực nghiệm đo đạt tại TP. HCM. Sử dụng các số liệu khí tượng của thành
phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hà Nội để đánh giá khả năng ứng dụng.

1.6 Các chương trình thơng dụng
Trên thế giới có chương trình máy tính để mơ 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 : 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 người sử dụng vẫn cần kiến thức về ngôn ngữ này. TRNSYS dùng để
mô phỏng nhiều loại hệ thống mặt trời khác nhau.


trang 6 / 171

Cũng như TRNSYS, WATSUN và T*SOL dùng để mô phỏng nhiều loại hệ
thống mặt trời khác nhau, tuy nhiên việc tiếp cận để sử dụng các chương 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 mơ 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 mơ phỏng hồn chỉnh nhất với
các dữ liệu thời tiết cho các vùng trên lãnh thổ Việt Nam được mô phỏng khi biết
được giá trị thơng 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 tốn cho hệ thống
nước nóng mặt trời loại Collector ống chân khơng đối lưu tự nhiên với bình trữ nhiệt
nằm ngang. Vì vậy, nghiên cứu này hy vọng là một trong những bước đầu tư về việc
tính tốn hệ thống nước nóng mặt trời, phục vụ cho nghiên cứu tính tốn cho các khu
vực ở nước ta cũng như góp phần phổ biến thơng tin và cổ động ứng dụng nước nóng
mặt trời trong nước.


trang 7 / 171

Chương 2.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
ĐUN NƯỚC NÓNG


trang 8 / 171

2.1 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời để đun nước nóng trên thế giới.
2.1.1. Thị trường hệ thống nước nóng bằng năng lượng mặt trời trên thế giới :
NNMT giữ năng lượng từ mặt trời chuyển thành nhiệt đun nước cho các gia
đình và cơ sở kinh doanh nên thay thế được cho khí đốt thiên nhiên hay điện một
cách miễn phí và vơ tận. NNMT đã tiết kiệm cho Califonia 1,2 tỉ đơn vị nhiệt của khí
đốt thiên nhiên mỗi năm, tương đương 24% lượng khí đốt sử dụng trong gia đình.
Ngăn chặn tình trạng ơ nhiễm và ấm lên tồn cầu, giảm sự phụ thuộc vào khí thiên
nhiên. Khoảng 75% các tịa nhà ở California có sử dụng hệ thống NNMT.
Nhiều quốc gia khuyến khích tăng sử dụng kỹ thuật NNMT. Trên thế giới tăng
trưởng 14% năm 2005, Trung Quốc chiếm hầu hết 80% thị trường thế giới ngày nay.
Dựa trên đầu người, Israel đang đạt được cỡ 90% hộ gia đình sử dụng kỹ thuật này.
Công suất của NNMT trên thế giới đã đạt được 88 gigawatts nhiệt (GWth) năm 2005,
với 46 triệu ngơi nhà có trang bị hệ thống.
Ở Mỹ hiện tại có 1,6 GWth đã lắp đặt tương đương 1,8% năng suất thế giới.
Hawai đã lắp hết một nửa của 9000 số hệ thống mới ở Mỹ: trong năm 2006.
California, Florida và Azona mỗi bang khoảng 1000 hệ thống trong năm 2006.
Ngày nay ở California vẫn cịn có ít hơn 1% các tòa nhà lắp đặt hệ thống.
Nghiên cứu cho thấy NNMT có thể giảm khí đốt tự nhiên nhiều hơn các kỹ
thuật khác: 971 triệu đơn vị nhiệt trên năm ở Mỹ; 219 triệu đơn vị nhiệt của khí đốt
được thay bằng NNMT ở California.
Một nghiên cứu về hiệu quả kinh tế năng lượng (ACEEE) của hội đồng Hoa

Kỳ về tiết kiệm khí đốt ở California, Oregon và Qashington trên giá nguyên liệu. Báo
cáo rằng hiệu quả cứ 5,1% lượng nhiên liệu tiết kiệm sẽ làm giảm từ 27% đến 37%
giá gas ở thị trường miền Nam và miền Bắc California. Hiện tại California còn phụ
thuộc vào nhập khẩu trên 85% nhu cầu gas. Tận dụng NNMT California giảm tình
trạng hiệu ứng nhà kính từ việc đun nước là 6,8 triệu tấn cacbon dioxide mỗi năm.
Tương đương với lượng khí phát thảo của hàng triệu xe hơi mỗi năm. Khoảng 5%
nhiên liệu tiết kiệm để hạn chế hiện tượng ấm lên toàn cầu tới năm 2020.


trang 9 / 171

Hình 2.1 Hệ thống ống chân khơng
Hình 2.2 Hệ thống tấm phẳng
NNMT được dùng rộng rãi trên thế giới và nhanh chóng phát triển.
Cuối năm 2005, 46 triệu ngơi nhà trên thế giới trên tồn thế giới có hệ thống NNMT,
tăng 14%/năm từ những năm trước đó (hình 2.3). Trung Quốc đã áp dụng kỹ thuật và
sản xuất chiếm 80% thị trường các sản phẩm.

Hình 2.3: Tổng phân phối hệ thống nước nóng NLMT trên thế giới (2005)
Tóm lại :
- Thị trường thế giới tăng nhanh 14% năm
- Thị trường lớn mạnh bởi sự hỗ trợ trực tiếp và liên tục của chính phủ
- Hoạt động cho kết quả tốt
- Dán nhãn ở Úc và Châu Âu


trang 10 / 171

- Sản xuất lớn ở Trung Quốc
+ Hơn 1000 nhà sản xuất

+ Các Collector ống chân không chiếm ưu thế
+ Mức tăng trưởng 30%
- Các thành phần của hệ thống được xuất khẩu và nhập khẩu rộng rãi : làm tăng sản
phẩm
- Cần có các tiêu chuẩn quốc tế
- Các tiêu chuẩn ISO dựa trên tiêu chuẩn của nhiều quốc gia và đang được phù hợp
hóa với tiêu chuẩn Châu Âu.

Hình 2.4 Diện tích hệ thống ống chân khơng và tấm phẳng tăng dần
Hình 2.5 Sự phân phối của các loại hệ thống NNNLMT
Các tiêu chuẩn quốc tế :
1. ISO TC 180
 Văn phòng tại : Úc
 Thành viên : 18 quốc gia thành viên và 42 quốc gia đang tìm hiểu
 Các nhóm hoạt động :
+ TC 180/WG1 Thuật ngữ
+ TC 180/WG1 vật liệu


trang 11 / 171

2.1.2 Các hệ thống khác nhau có ưu điểm riêng:
Dựa vào khác biệt thấy rõ nhất của các Collector đang sử dụng. Collector được
chia làm 4 loại : khơng kính, tấm phẳng, dạng khối và ống chân khơng.
- Loại khơng kính :
Là loại đơn giản nhất, nước qua ống đen hấp thu năng lượng mặt trời, loại này
rẻ hơn các loại khác và có hiệu quả khi cần gia nhiệt thấp hơn cỡ 20oF so với nhiệt độ
mơi trường. Trong khi nước nóng sử dụng trong gia đình cần khoảng 130oF và loại
này bị tổn thất nhiệt ra mơi trường rất nhiều.
Có thể dùng để gia nhiệt hồ bơi.

- Loại tấm phẳng
Lớp kính cách nhiệt cho phép tấm phẳng gia nhiệt nước cỡ 130oF trên nhiệt độ
không khí xung quanh, phụ thuộc vào góc mặt trời, thiết kế Collector và các thơng số
khác. Ví dụ : nếu nhiệt độ bên ngồi 70oF thì nước trong tấm phẳng có thể đạt 200oF.
Tấm phẳng thường được sử dụng đun nước trong các hộ gia đình ở Mỹ và chi phí phù
hợp.
- Batch heaters
Cịn gọi là "breadbox" or hệ thống Collector kết hợp (integrated Collector
systems), sử dụng một hoặc nhiều thùng màu đen (black tanks) chứa nước và đặt
trong một hộp bằng kính, cách nhiệt. Một số hộp có gương phản xạ để tăng bức xạ
mặt trời. Năng lượng mặt trời xuyên qua tấm kính và gia nhiệt cho nước bên trong
thùng. Những thiết bị này là thiết bị đun nóng nước năng lượng mặt trời rẻ nhưng
phải tháo hết nước ra khi nhiệt độ xuống thấp hơn nhiệt độ đóng băng.
A batch heater là một thiết bị đun nóng nước mặt trời đơn giản sử dụng một
hoặc nhiều thùng chứa đặt trong một hộp cách nhiệt bằng kính.
- Ống chân không :


trang 12 / 171

Khơng gian giữa ống kính ngồi và ống hấp thụ bên trong được hút chân
khơng có thể gia nhiệt lên đến 350oF hoặc cao hơn. Phù hợp cho khí hậu mát mẻ hay
những tịa nhà dùng nước nóng như nguồn năng lượng để điều hịa khơng khí hoặc
gia nhiệt.

Hình 2.6 Collector tấm phẳng Hình 2.7 Collectors ống chân khơng Hình 2.8 breadbox
2.1.3 NNMT trong 20 năm phát triển :
Những nhà xuất khẩu đầu tiên về hệ thống nước nóng năng lựơng mặt trời là
Australia, Greece, Irrael và USA thị trường mở rộng đáng kể suốt những năm 1990
làm tăng phạm vi và chất lượng sản phẩm. Sự sản xuất bộ đun nước nóng bằng năng

lượng mặt trời hiện nay trở thành ngành cơng nghiệp chính ở China, Australia,
Germany, Greece, Israel và USA.
2.1.3.1. Thị trường cho các bộ gia nhiệt năng lượng mặt trời
Sản xuất ổn định và lắp đặt hàng năm ở một số nước trong bảng 2.1
(Renewable Energy Annual 1995, Sun in Action 1996).


trang 13 / 171

Bảng 2.1 Thị phần NNMT năm 1994
2.1.3.2 Các loại thiết kế
Nhiều ý niệm cho hệ thống gia nhiệt năng lượng mặt trời đang ứng dụng (
APEC 1995, CADDET 1995, CEC 1993, Fanney và Dougherty 1997) các thiết kế
thơng thường ở hình 2.9.


trang 14 / 171

Hình 2.9. Các hệ thống nước nóng và bơm nhiệt thơng dụng, (a) hệ thống tích hợp,
(b) hệ thống kín, (c) bơm nhiệt khơng khí.
2.1.3.3. Hệ thống năng lượng mặt trời đối lưu tự nhiên
Hệ thống đối lưu tự nhiên là thông dụng nhất ở thời tiết ấm.
Tại Châu Âu, Trung Quốc, Hàn Quốc và Đài Loan có tình trạng đóng băng.
Các hệ thống đối lưu tự nhiên với Collector gắn với tank tránh các tổn thất nhiệt theo
sự tuần hồn ngược.
2.1.3.4. Cách nhiệt chân khơng
Hình 2.10-2.12. Các hệ thống Collector chân không gia nhiệt

Fig 2.10 Các loại Collector chân không (a) flat Plate, (b) single ended evacuated
Tube.

trang 15 / 171

a

b

c

d

Hình 2.11 Hệ thống NNNLMT loại ống chân khơng, (a) khơng khí tuần hồn trong
ống, (b) ống chân khơng hấp thu nhiệt có thêm tấm phản xạ, (c) & (d) ống ngâp lỏng
(China).

Hình 2.12 Các Collector chân khơng tích hợp


trang 16 / 171

2.1.3.5 Các Collector phụ thuộc vào mùa
Những tấm kính nhỏ, bộ phản xạ có chi phí thấp đã được dùng làm tăng diện
tích nhận bức xạ (aperture area) nên bức xạ mùa đơng có thể đạt được u cầu tải
nước nóng. Hình 2.13

a

b

hình 2.13. Collector tấm phẳng có kính,
(a) hệ thống đối lưu tự nhiên kín,
(b) Collector với kính gắn nghiêng.
2.1.3.6. Hệ bơm nhiệt
Phạm vi của bơm nhiệt với sự gia nhiệt mặt trời trực tiếp vào bộ bay hơi của
bơm đang được phát triển. Hình 2.14 và 2.15

Hình 2.14. Loại bơm nhiệt mặt trời.


trang 17 / 171

a

b

hình 2.15. Loại hệ thống khơng khí có quạt và bộ bay hơi ở đỉnh bình,
(a) loại có bộ bay hơi và quạt, (b) bộ bay hơi tự nhiên.
2.1.4 Một số ứng dụng khác
Từ lâu người ta đã biết sử dụng năng lượng mặt trời để đáp ứng cho các nhu
cầu: sấy khô quần áo, sấy nông sản thực phẩm theo phương pháp phơi tự nhiên.
Ngoài ra, năng lượng mặt trời còn ứng dụng trong một số lĩnh vực khác:


trang 18 / 171

Hình 2.16 Các ứng dụng: chạy động cơ hơi nước, đun nước, nấu ăn chưng cất nước.

Hình 2.17- Sấy nơng sản

hình 2.18 sưởi ấm

Qua đó ta thấy năng lượng mặt trời được ứng dụng ở mức độ chủ động hơn, có
nhiệt độ cao hơn.
Để thu nhận năng lượng mặt trời hiệu quả và có nhiệt độ đáp ứng nhu cầu cao
hơn Collector thu nhận năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu chế tạo ngày càng
hoàn thiện hơn, được thiết kế cho các yêu cầu nhiệt độ khác nhau và điều kiện khí
hậu khác nhau.


trang 19 / 171

2.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời đun nước nóng tại 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 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 2.2 và bảng 2.3. 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 12 tháng đạt 5 kWh/m2/ngày. Từ mùa khô
chuyển sang mùa mưa tổng lượng bức xạ trung bình giảm khoảng 50%. Ở các tỉnh
phía Bắc số giờ nắng trung bình chỉ đạt 4,1 giờ/ngày và cường độ bức xạ trung bình
khoảng 4kWh/m2 ngày, lượng bức xạ trung bình tương đối cao. Đây là nguồn năng
lượng dồi dào nhất và sạch nhất, có thể kết luận bằng bức xạ mặt trời là một nguồn tài
nguyên to lớn của Việt Nam. Tuy nhiên việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở nước ta
chưa phát triển, ứng dụng thấy rõ nhất là sử dụng bộ thu năng lượng trời để sản xuất
nước nóng phục vụ trong sinh hoạt cho hộ gia đình, một số nhà hàng khách sạn. Thực
trạng sử dụng hiện nay chỉ khoảng vài ngàn bộ thu năng lượng mặt trời được lắp đặt
so với hơn 100.000 bộ đun nước nóng điện trở được lắp đặt ở thành phố Hồ Chí
Minh.

Bảng 2.2. Tổng lượng bức xạ mặt trời trung bình/ngày trong 12 tháng cho một số khu
vực. Đơn vị : kWh/m2/ngày
Khu vực

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

TB

Cao Bằng

2.2

2.4

3.0

4.0

5.3

5.3

5.9

5.8

5.2

4.2

3.2

2.8

4.1

Sơn La

2.9

3.6

4.2

4.7

5.1

4.9

4.8

4.7

4.8

4.4

3.7

3.2

4.3

Quảng Ninh

2.1

2.2

2.5

2.5

4.6

4.0

3.9

4.3

4.4

3.8

3.6

3.0

3.4

Vĩnh Phú

1.9

2.0

2.4

3.4

5.2

5.5

5.3

5.1

4.7

4.1

3.3

2.8

3.8

Hà Nội

2.1

2.2

2.3

3.3

5.3

5.5

5.7

5.2

4.8

4.1

3.4

3.0

3.9

Nghệ Tĩnh

1.8

2.2

2.0

3.3

5.1

5.3

5.7

4.7

4.0

3.1

2.0

2.0

3.4

Pleycu

5.8

7.0

7.5

5.8

6.2

4.6

4.7

3.4

4.5

4.7

5.6

5.5

5.4

Đà Nẵng

3.5

4.3

5.2

5.8

6.4

5.9

6.5

5.7

5.2

4.2

3.0

2.5

4.8


trang 20 / 171

TP. HCM

5.1

6.3

6.6

5.7

5.0

4.9

5.1

5.0

4.8

4.5

4.3

4.6

5.2

Hậu Giang

4.7

5.5

5.9

5.6

4.5

4.2

4.6

4.2

4.2

3.9

4.2

4.4

4.7

Cà mau

5.3

5.5

6.2

5.3

4.1

4.2

4.3

4.2

4.3

4.2

4.4

4.3

4.6

Phú Quốc

5.0

5.5

5.7

5.6

4.9

4.3

4.4

4.1

4.3

4.6

4.8

4.9

4.8

Bảng 2.3: Số giờ nắng trung bình / ngày trong 12 tháng (giờ/ngày), [3]
Khu vực

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

TB

Cao Bằng

1.9

2.0

2.4

3.7

5.3

4.5

5.4

5.6

5.5

4.2

3.6

2.9

3.9

Hà Nội

2.2

1.6

1.4

2.7

5.3

5.2

5.9

5.3

5.4

5.3

4.2

3.5

4.0

Nghệ Tĩnh

2.6

1.7

2.3

4.6

7.3

6.7

7.6

5.8

5.2

4.6

3.2

2.8

4.5

Đà Nẵng

4.4

5.1

3.4

6.9

8.3

7.9

8.3

6.7

5.8

4.7

4.0

3.6

5.8

TP. HCM

7.9

8.8

8.8

7.7

6.3

5.7

5.8

5.6

5.4

5.9

6.7

7.2

6.8

Hậu Giang

8.3

8.9

9.3

8.8

6.9

5.9

6.0

5.8

5.6

5.7

6.3

6.7

7.0

Nghiên cứu, đánh giá về tiềm năng ứng dụng năng lượng mặt trời vào mục
đích cung cấp nước nóng sử dụng trong dân dụng Việt Nam đã có các cơng trình
nghiên cứu cho một khu vực ở phía Nam. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khả
năng ứng dụng năng lượng mặt trời vào mục đích cung cấp nước nóng cho khách sạn

Palace - Thành phố Hồ Chí Minh là khả thi khả năng hoàn vốn của dự án là 3 năm 4
tháng. Với hệ thống đối lưu cưỡng bức dòng diện tích Collector AC = 4m2 ; Tải sử
ngày = 250 lít ; góc nghiêng Collector = 20o, được lắp đặt tại Hà Nội, khả năng đáp
ứng của hệ thống là 78% nhu cầu nước nóng..
Các thiết bị thu nhận năng lượng mặt trời chuyển thành điện năng hiện nay
được lắp ở thành phố Hồ Chí Minh chỉ có hơn 10 cơng trình được lắp đặt cho hệ
thống điện mặt trời với công suất nhỏ phục vụ nguồn điện tại chỗ, đơn vị đi đầu trong
nghiên cứu về vấn đề này là Phân viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh.
Trung tâm nghiên cứu về hệ thống NNMT ở nước ta gắn liền với các trường
đại học: là Trường đại học Bách Khoa (ĐHBK) Hà Nội, trường ĐHBK Đà Nẵng,
trường ĐHBK TP. Hồ Chí Minh, trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.


trang 21 / 171

Hiện nay, ở phía nam có nhiều đơn vị chế tạo và lắp đặt hệ thống đun nước
nóng mặt trời, trong đó đơn vị chế tạo loại Collector tấm phẳng đối lưu tự nhiên với
bình trữ nhiệt nằm ngang là Trung tâm nghiên cứu thiết bị nhiệt và năng lượng mới
của Trường đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh và Trung tâm nghiên cứu và
chuyển giao công nghệ - Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
Trung tâm nghiên cứu thiết bị nhiệt và năng lượng mới là trung tâm nghiên
cứu hàng đầu về hệ thống NNMT ở phí Nam. Hiện nay, trung tâm đang có bán trên
thị trường máy nước nóng mặt trời với thương hiệu là SOLAR - BK. Trung tâm đã
trải qua hơn 15 năm kinh nghiệm nghiên cứu và ứng dụng máy nước nóng mặt trời sử
dụng trong hộ gia đình. Từ những máy nước nóng được lắp đặt đầu tiên vận hành cho
đến nay vẫn còn hoạt động hiệu quả, chứng tỏ được hiệu quả và đánh giá được tuổi
thọ cho thiết bị. Thiết bị thu nhận năng lượng mặt trời của trung tâm nhập từ CHLB
Đức - tấm Soladur, còn các phụ kiện còn lại chế tạo trong nước. Sản phẩm trung tâm
có 3 loại chính từ 180 lít, 240 lít và 320 lít có giá bán là 9,5 triệu - 17,5 triệu đồng.
Loai SOLAR-BK - 180 có khả năng cung cấp nước nóng cho 3 - 4 người với nhiệt

độ 45 - 60oC, đáp ứng về nhu cầu tắm trong hộ gia đình.
Hiện nay, trung tâm cũng đã nghiên cứu chế tạo hệ thống máy nước nóng mặt
trời sử dụng ống chân khơng và sản phẩm có bán trên thị trường. Với nhiều cơng
trình được lắp đặt như cung cấp tồn bộ nước nóng cho Khách sạn Sài Gòn với hơn
100 phòng, tiết kiệm hơn 70 - 80% lượng điện tiêu thụ và khả năng cung cấp nước
nóng từ 45 - 60oC. Với bề dày nghiên cứu có sẵn, trung tâm hiện nay sẵn sàng tư vấn
thiết kế và lắp đặt các hệ thống NNMT cho quy mơ sử dụng trong gia đình, các khu
vui chơi giải trí, nhà hàng khách sạn.
Nhóm nghiên cứu của TS. Lê Chí Hiệp đã đưa ra máy nước nóng mặt trời có
giá rẻ (khoảng 2 triệu đồng cho loại 200 lít). Thiết bị là một ống hình trụ bằng
composite với mặt trong phẳng và mặt ngồi lượn sóng, ống composite này được đặt
khít bên trong vỏ hình trụ bằng inox màu sơn đen, vỏ inox này được bọc bên ngoài
bằng một ống hình trụ làm bằng mica. Kết cấu này nhằm tăng cường sự đối lưu nước
ở khoảng trống giữa rãnh gợn sóng composite và vỏ inox. Tấm composite giúp gia
tăng độ cứng và vỏ mica để tạo ra hiệu ứng nhà kính và hạn chế tổn thất nhiệt ra môi


trang 22 / 171

trường. Các kết quả thực nghiệm cho thấy thiết bị đáp ứng được sử dụng nước nóng
trong gia đình.
Trung tâm nghiên cứu và chuyển giao cơng nghệ đưa sản phẩm máy nước
nóng với thương hiệu là HELIO, sử dụng Collector tấm phẳng đối lưu tự nhiên với
bình chứa nằm ngang. Loại này hoàn toàn được chế tạo và lắp đặt tại Việt Nam. Về
nguyên lý hoạt động, loại này cũng giống như loại tấm phẳng của trường ĐHBK TP.
HCM. Tuy nhiên, panel hấp thụ được chế tạo từ 2 tấm tôn được dập vào nhau để tạo
nên những rãnh bên trong cho nước lưu thông. Công nghệ này đơn giản, các vật liệu
và chi tiết của máy nước nóng hồn tồn được chế tạo trong nước. Vì vậy loại máy
nước nóng dùng cơng nghệ này có giá thành tương đối thấp so với các loại khác.
Trường ĐHBK Hà Nội là một trung tâm nghiên cứu NLMT phía bắc nước ta.

Nhóm nghiên cứu của trường cũng có truyền thống và kinh nghiệm lâu năm.
Collector phẳng cũng là một trong những khởi đầu của các nghiên cứu tại đó. Một
trong những phát triển của họ gần đây là phát triển Collector hộp phẳng mỏng có
thêm gương phản xạ lắp hai bên để đạt nhiệt độ cao. Thiết kế này thích hợp cho các
ứng dụng nước nóng ở nhiệt độ cao, như trong kỹ thuật làm lạnh theo nguyên tắc hấp
thụ.
Collector loại ống chân khơng có các đơn vị chế tạo và lắp đặt như công ty
TNHH Đại Thành - Khánh Hịa với thương hiệu làYACHI, cơng ty TNHH Qn
Qn với thương hiệu Quán Quân, công ty Khang Đại, công ty Nam Đại Thành,...
đều ở TP. Hồ Chí Minh.
Hiện nay, nhà nước đang thực hiện chương trình hỗ trợ người tiêu dùng sử
dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời. Chương trình dược áp dụng vào đầu tháng
8/2008 (trên qui mơ tồn quốc) kéo dài đến năm 2013. Khi mua máy nước nóng năng
lượng mặt trời của các đơn vị tham gia chương trình người dân sẽ nhận được một
phiếu giảm giá (1 triệu đồng), đem đến công ty điện lực hay Trung Tâm Tiết Kiệm
Năng Lượng TP .HCM để nhận tiền. Đây là chương trình do Bộ Cơng Thương, Tập
Đoàn Điện Lực Việt Nam, UBND TP .HCM và Trung Tâm Tiết Kiệm Năng Lượng
TP .HCM (đơn vị chủ trì thực hiện) phối hợp tổ chức. Tổng kinh phí của chương
trình hơn 40 tỉ đồng thì sẽ dành kinh phí tới 80% để hỗ trợ người mua và 20% dành


trang 23 / 171

cho truyền thơng. Chương trình sẽ áp dụng cho tất cả mọi người dân (hộ gia đình) và
cả những đối tượng sử dụng khác như nhà hàng, xí nghiệp sản xuất, khách sạn,
trường học, bệnh viện…Theo kế hoạch mục tiêu từ nay đến cuối năm 2008 sẽ thực
hiện hỗ trợ trợ khoảng 500 bộ máy và đến năm 2013 sẽ đạt khoảng 30.000 máy. Theo
tính tốn nếu đưa vào họat động 30.000 bộ máy nước nóng bằng năng lượng mặt trời
(dung tích 180 lít) sẽ giúp tiết giảm được gần 57.000.000 kwh điện/năm, tương
đương 60% nhiệm vụ tiết kiệm điện của TP .HCM trên năm, giảm phát thải ra môi

trường khoảng 23.541 tấn CO2/năm.
Hiện nay TP. HCM có khoảng 20 đơn vị sản xuất và kinh doanh bình nước
nóng năng lượng mặt trời thì đã có tới 17 đơn vị đăng kí tham gia chương trình này.
Vấn đề đặt ra của người tiêu dùng là những tư vấn cần thiết về chất lượng sản phẩm,
để khắc phục chương trình sẽ từng bước kết hợp với siêu thị Thiên Hòa mở một siêu
thị đầu tiên của Việt Nam trưng bày hầu hết các thiết bị tiết kiệm năng lượng.
Một số sản phẩm máy nước nóng để tham khảo:
 Máy HELIO của trung tâm nghiên cứu và chuyển giao công nghệ trường đại
học Sư Phạm Kĩ Thuật TP. HCM giá từ 8.8 đến 17 triệu đồng tùy theo dung
tích.
 Máy Hazolen của trung tâm phát triển năng lượng mặt trời Vũng Tàu giá từ
6.3 đến 8.4 triệu đồng.
 Máy TLK của công ty Phú Khang Lạc giá từ 4.5 đến 14 triệu đồng tùy theo
cơng nghệ và dung tích.
 Solar Osaka của công ty Hồng Quang giá từ 6.6 đến hơn 13 triệu đồng tùy
theo dung tích.
Gần đây các gia đình và những đơn vị sử dụng lớn đã bắt đầu làm quen với cách
tiêu dùng mới này. Không riêng tại khu vực thành thị mà tại nhiều vùng nơng thơn
bình nước nóng năng lượng mặt trời đã đưa vào bản vẽ trong quá trình thiết kế xây
dựng nhà mới của người dân. Thiết bị này khơng những có lợi về kinh tế mà cịn bào
vệ mơi trường, khơng cần điện cũng khơng cần đun nước nóng nên thiết bị này được
coi là cơng nghệ khơng khói. Ở Việt Nam, riêng việc đun nước nóng mỗi năm tiêu
tốn gần bằng 10% tổng lượng điện của cả nước nếu thay bằng bình nước nóng năng


trang 24 / 171

lượng mặt trời thì số tiền tiết kiệm được là rất lớn. Với tiềm năng bức xạ mặt trời ở
Việt Nam các nhà khoa học ước tính hằng năm với một thiết bị đun nước có thể tiết
kiệm được từ 500 tới 700 kwh tùy theo đặc điểm khí hậu từng vùng. Với kết cấu bình

gọn, lắp đặt đơn giản bình nước nóng năng lượng mặt trời thực sự mở ra một cơ hội
mới vừa tiết kiệm chi tiêu hàng ngày vừa phát triển kinh tế.
2.3 Collector Tấm Phẳng
Cơ sở nghiên cứu Collector tấm phẳng:
Bước 1. Tia bức xạ mặt trời chiếu vào bề mặt đen này. Một phần tia bức xạ được hấp
thụ và phần còn lại bị phản xạ (do bề mặt không trong suốt, nên khơng có sự khúc xạ
qua tấm).
Solar Radiation Input

Temp of.
plate

Absorber plate

Losses (convaction &
radiation): Bottom.side
&top

Hình 2.19 Tấm hấp thu
Để nhiệt của tấm cân bằng so với mơi trường xung quanh, thì tấm nhả nhiệt
bằng hai cách:
- Đối lưu do khơng khí ra vùng lân cận của tấm.
- Bức xạ vào bầu khí quyển.
Truyền nhiệt đối lưu chủ yếu do gió, trong khi truyền nhiệt bức xạ cần có
sóng dài (hồng ngoại).
Nhận xét: Mục đích là nhận được nhiệt độ cao ở tấm phẳng. Do đó:
(i) Tấm phẳng nên có đặc tính:
(a) Hấp thụ tất cả các bức xạ chiếu đến.
(b) Không phản xạ (or a minimum)

trang 25 / 171

(ii) Giảm thiểu tổn thất do bức xạ và đối lưu nếu có thể. Tổn thất do đối lưu cho gió,
tổn thất bức xạ ra bầu khí quyển.
(iii) Tấm phẳng nên đặt ở hướng nào đó để nhận bức xạ mặt trời là lớn nhất. Điều này
yêu cầu phải nghiên cứu bức xạ mặt trời đến bề mặt nghiêng và góc nghiêng.
Bước 2. Năng lượng nhiệt nhận được của tấm phẳng được truyền cho chất làm việc
trung gian để đưa đến nơi sử dụng. Được làm bằng cách gắn (hàn ống hoặc kẹp ống)
vào phía bên dưới (phía trên) của tấm kim loại theo chiều dài của tấm và cho chất
lỏng tuần hoàn
Solar Radiation Input

Losses
bottom.side.top

Absorber plate

Temp.
of water

tubes carrying
water

Hình 2.20 Tấm hấp thu hàn với ống dẫn nước nóng
Hai đầu các ống được nối với ống góp (ống nằm ngang để phân phối và tập
trung dòng nước), ống góp được nối với thùng chứa. Nhờ sự bố trí này, tấm hấp thụ
truyền một phần năng lượng của nó cho nước trong ống và do đó nước được gia
nhiệt. Nước nóng nhẹ hơn và đi lên phía trên của thùng chứa, làm cho nước lạnh đi
lên theo ống. Nước lạnh này nhận nhiệt từ tấm hấp thụ và đi lên và cứ thế q trình

tiếp tục.
Nhận xét:
(i). Có sự dẫn nhiệt giữa tấm hấp thụ và các ống. Nhiệt truyền qua chỗ nối phụ
thuộc vào mối hàn của ống hay phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc của các ống và tấm
hấp thụ.