Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời với chi phí thấp phù hợp với điều kiện khí hậu việt nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.91 MB, 89 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~
NGUYỄN LÊ HỒNG SƠN
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC NGỌT
DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VỚI CHI PHÍ THẤP
PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM
Chun ngành : Cơng nghệ Nhiệt
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----------------------------
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN 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 sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
Ngày …… tháng …… năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN LÊ HỒNG SƠN
Ngày, tháng, năm sinh: 17-04-1982
Chuyên ngành:
Phái: Nam
Nơi sinh:Hà Tây
Cơng Nghệ Nhiệt
Khóa:
2006
1. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC NGỌT DÙNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI VỚI CHI PHÍ THẤP PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU
VIỆT NAM
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
• Nghiên cứu khảo sát tài liệu về cơng nghệ cất nước ngọt dùng năng lượng mặt
trời.
• Trình bày phương pháp tính cường độ bức xạ, nghiên cứu lý thuyết đưa ra mơ
hình tính tốn nhiệt cho hệ thống chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt
trời.
• Chế tạo mơ hình cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời dạng hai mái
nghiêng có đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức.
• Tiến hành thực nghiệm đo đạc thơng số trên mơ hình.
• Đánh giá kết quả, hiệu quả kinh tế, rút ra những nhận xét, kết luận.
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
18-02-2009
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
04-12-2009
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. NGUYỄN THẾ BẢO
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông
qua
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
TS. NGUYỄN THẾ BẢO
PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, tôi cũng xin
gửi lời cảm ơn chân thành đến:
1. TS. NGUYỄN THẾ BẢO là thầy giáo trực tiếp hướng dẫn tơi
trong suốt q trình thực hiện luận văn, cảm ơn thầy đã tận tình
giúp đỡ, đưa ra những ý kiến nhận xét và những lời góp ý chân
thành.
2. Các thầy trong bộ mơn Cơng nghệ Nhiệt lạnh, trường Đại học
Bách khoa Tp. HCM đã tận tình giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến
sâu sắc về chuyên môn.
3. Các anh chị em đồng nghiệp, đồng môn đã động viên, giúp đỡ tơi
trong suốt q trình thực hiện luận văn.
TP. HCM, tháng 11 năm 2009
NGUYỄN LÊ HỒNG SƠN
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Hệ thống chưng cất nước ngọt sử dụng năng lượng mặt trời đã được ứng
dụng rất lâu đời, nhưng hiện nay, hiểu quả của thiết bị này cịn q thấp nên
được ứng dụng khơng rộng rãi.
Trong phạm vi luận văn “Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước ngọt
dùng năng lượng mặt trời dạng hai mái nghiêng, phù hợp với điều kiện Việt
Nam”, tác giả sẽ tập trung đưa ra thể thức nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
từ đó cải tiến hệ thống cổ điển (đối lưu tự nhiên) bằng cách lắp đặt thêm một hệ
thống ngưng tụ riêng biệt nhằm tăng khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời và
tăng diện tích ngưng của hơi nước, từ đó làm tăng sản phẩm thu được. Ngoài ra,
luận văn đưa ra những điều kiện tối ưu để có thể thu được sản phẩm một cách
tối đa:
Xác định chiều cao tối ưu của lớp nước
Độ nghiêng tấm phủ phù hợp
Tốc độ gió sao cho khơng bị tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh.
Nghiên cứu lý thuyết đưa ra mơ hình tính tốn nhiệt cho hệ thống chưng
cất nước ngọt.
Dựa trên nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật của hệ thống, tác giả đã
xây dựng phần mềm hỗ trợ tính tốn để có thể xác định được các thông số tối
ưu cho hệ thống.
Thực nghiệm, sử dụng số liệu đo đạc thực tế, số liệu khí tượng tại các
thời điểm khác nhau để so sánh và đánh giá chương trình. So sánh hiệu quả của
hệ thống đã cải tiến so với ban đầu.
Mục Lục
Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn
Tóm tắt luận văn
Mục lục
Chương I: MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề ................................................................................................ 1
II. Mục đích nghiên cứu ............................................................................. 2
III. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................... 2
IV. Giới hạn nghiên cứu ............................................................................. 2
Chương II: TỔNG QUAN
I. Tình hình năng lượng: ............................................................................ 3
II. Nhu cầu nguồn nước ngọt:.................................................................... 4
III. Thiết bị chưng cất nước ngọt đã được sử dụng: ............................... 5
III.1 Dạng sơ khai: ........................................................................................ 5
III.2 Dạng Single slope still: ........................................................................ 6
III.3 Dạng Double slope still: ...................................................................... 7
III.4 Dạng Double basin still: ...................................................................... 8
III.5 Dạng cầu: .............................................................................................. 9
III.6 Dạng Multi-stage flash distillation (MSF): ........................................ 10
III.7 Dạng Multi-Effect distillation (MED ................................................. 11
III.8 Dạng Vapour compression distillation: .............................................. 11
III.9 Dạng Reverse Osmosis membrane distillation:.................................. 12
III.10 Một số dạng đã và đang được nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam: . 13
IV. Tổng quan về năng lượng mặt trời .................................................. 15
IV.I Bức xạ tổng xạ:................................................................................. 16
IV.2 Năng lượng mặt trời ở Việt Nam: ................................................... 18
Chương III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I. Nguyên lý chưng cất nước ngọt: ............................................... .......... 19
II. Cơ sở lý thuyết: ................................................................................... 19
II.1 Tính cường độ bức xạ đến mặt phẳng nghiêng:................................... 19
II.2 Xác định hệ số phản xạ, hấp thụ và truyền qua .................................. 21
II.3 Phương trình truyền nhiệt và truyền chất tại thiết bị chưng cất truyền
thống hai mái nghiêng: ....................................................................... 23
II.3.1 Hệ thống đối lưu tự nhiên: ................................................................ 23
II.3.2 Hệ thống đối lưu cưỡng bức: ............................................................ 32
III. Phần mềm hỗ trợ tinh toán: .............................................................. 40
III.1. Sơ đồ thuật toán ................................................................................. 40
III.2 Giao diện phần mềm: .......................................................................... 40
Chương IV: THÍ NGHIỆM
I. Mục đích, ý nghĩa ...................................................................... .......... 42
II. Mơ tả hệ thống .................................................................................... 42
III. Thuyết minh các dụng cụ đo .........................................................................................42
IV Tiến hành thí nghiệm, xử lý kết quả thí nghiệm, nhận xét, bàn luận ........... 43
Chương V: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ
I. Thực trạng tại vùng khảo sát: .............................................................. 75
II. Tính hiệu quả kinh tế và khả năng thu hồi vốn ................................ 75
Chương VI: KẾT LUẬN
I. Kết luận .................................................................................................. 79
II. Đề nghị .................................................................................................. 80
Luận văn thạc sĩ
1
Chương 1: MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề:
Hiện nay nhà nước ta đang khuyến khích sử dụng các thiết bị dùng
năng lượng mặt trời. Hơn thế nữa, người dân sẽ ngày càng thấy tầm quan
trọng cũng như sự tiết kiệm khi sử dụng thiết bị chưng cất nước ngọt dùng
năng lượng mặt trời và họ sẽ sử dụng ngày càng nhiều hơn. Tuy nhiên điều
quan trọng của vấn đề này là tính hiệu quả về kinh tế kỹ thuật của thiết bị
chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời. Bởi vì hiện nay, một số loại
cổ điển hoặc cao cấp nhưng không phù hợp với lý do hiệu suất kém hoặc giá
cả chưa hợp lý.
Chính vì thế nên tác giả chọn đề tài này với mục đích là để đưa ra một
mơ hình hồn thiện về thiết bị chưng cất nước ngọt sử dụng năng lượng mặt
trời thân thiện với môi trường và đáp ứng được hai yếu tố trên, đó là, hiệu
suất cao, giá cả hợp lý.
Hiện nay, tại một số vùng xa xôi hẻo lánh, vùng sâu vùng xa, các hải
đảo xa xôi ,đa số, đang sử dụng thiết bị chưng cất dạng hai mái nghiêng với
chi phí khơng cao so với các loại khác nhưng hiệu suất khá thấp, nên đề tài
này, tác giả sẽ cố gắng đưa ra một mơ hình với chi phí thấp để có thể cải thiện
hệ thống này. Mơ hình mà tác giả đưa ra có ý nghĩa thực tiễn rất lớn, làm tăng
khả năng trao đổi nhiệt và diện tích ngưng tụ, dẫn đến lượng nước sạch thu
được sẽ cao hơn.
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
2
Luận văn thạc sĩ
II. Mục đích nghiên cứu:
Đưa ra một mơ hình hồn thiện về thiết bị chưng cất nước ngọt sử dụng
năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường và đáp ứng được hai yếu tố
trên, đó là, hiệu suất cao, giá cả hợp lý.
III. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là thống chưng cất nước ngọt
dùng năng lượng mặt trời dạng hai mái nghiêng.
IV. Giới hạn nghiên cứu:
Trong phạm vi đề tài “Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước ngọt dùng
năng lượng mặt trời dạng hai mái nghiêng, phù hợp với điều kiện Việt Nam”,
tác giả sẽ tập trung đưa ra thể thức nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
- Nghiên cứu lý thuyết đưa ra mơ hình tính tốn nhiệt cho hệ thống
chưng cất nước ngọt.
- Xây dựng phần mềm tính toán.
- Thực nghiệm, sử dụng số liệu đo đạc thực tế, số liệu khí tượng tại các
thời điểm khác nhau để so sánh và đánh giá chương trình. So sánh hiệu quả
của hệ thống đã cải tiến so với ban đầu.
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
Luận văn thạc sĩ
3
Chương 2: TỔNG QUAN
I. Tình hình năng lượng:
Hiện nay hàng năm thế giới khai thác và sử dụng khoảng 10 tỷ tấn
nhiên liệu khoáng. Như vậy sẽ thải ra môi trường khoảng hơn 200 triệu tấn
axit sulfuric, chưa kể thêm các chất độc hại khác [14]. Rất ít ai còn chưa cảm
thấy tác động của con người lên mơi trường. Các hiệu ứng tồn cầu về tăng
nhiệt độ, tăng mực nước biển, tăng mức tàn phá của thời tiết (lụt, bão, hạn và
sa mạc hóa…) là những chứng cớ khơng cịn nghi ngờ rằng lồi người đã đạt
đến khả năng giải phóng những năng lượng làm thay đổi nghiêm trọng cân
bằng của tự nhiên.
Các nước công nghiệp đang nhận thức rõ hiểm họa cạn kiệt năng lượng
(đặc biệt giá dầu mỏ hiện nay chưa có dấu hiệu bình ổn) và có những chính
sách mạnh và cụ thể để phát triển năng lượng tái tạo cũng như tăng hiệu quả
năng lượng. Chính phủ các nước này khuyến khích sử dụng năng lượng mặt
trời qua miễn thuế, cho vay dài hạn lãi suất thấp, tài trợ nghiên cứu phát
triển…Họ đặt ra những mục tiêu rõ ràng về tỷ trọng mà năng lượng mặt trời
cần đạt trong từng thời đoạn. Ví dụ cơng đồng châu Âu đạt 12% năng lượng
tái tạo vào năm 2010. Các nước có quy mơ sử dụng năng lượng mặt trời rộng
lớn là Nhật Bản, Mỹ, Israel, Úc, Hy Lạp, Áo, Đức,… [16]
Trong khi các dạng năng lượng truyền thống đang ngày một cạn kiệt,
thì ánh sáng mặt trời được coi là một trong những kho năng lượng quý giá có
thể thay thế được. So với các dạng năng lượng khác, năng lượng mặt trời có
ưu thế hơn là vừa sạch, vừa rẻ, lại gần như vơ tận. Bởi thế, nó đã sớm được
con người nghĩ đến và tìm cách khai thác. Ở nước ta, từ hơn hai mươi năm trở
lại đây đã sử dụng nhiều loại thiết bị thu ánh sáng mặt trời để phục vụ cho quá
trình sản xuất như: thiết bị sấy, thiết bị đun nước nóng, thiết bị chưng cất
nước và dàn pin mặt trời. Các thiết bị này nhìn chung phù hợp với điều kiện
khí hậu và đặc điểm địa lí nước ta.
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
Luận văn thạc sĩ
4
Sử dụng năng lượng mặt trời mang lại hiệu quả kinh tế, xã hội, góp
phần bảo tồn nguồn năng lượng truyền thống, bảo vệ môi trường và thực hiện
điện khí hóa nơng thơn, vùng sâu, vùng xa là việc làm cần thiết. Vì thế Nhà
nước cần có các chính sách hỗ trợ tích cực cho các cơ quan nghiên cứu, doanh
nghiệp cung cấp các dịch vụ cũng như người sử dụng các công nghệ năng
lượng mặt trời.
II. Nhu cầu nguồn nước ngọt:
Hình 2.1: Sự phân bố nước trên trái đất
Nước là một nguồn tài nguyên thiên nhiên rất phong phú quanh ta, từ
những dịng chảy, sơng hồ, nước ngầm đến đại dương mênh mơng là nơi
mn lồi thuỷ sinh sinh sống, nước được sử dụng trong mọi mặt của đời
sống con người và mọi loài động thực vật trên trái đất. Tuy nhiên, nguồn nước
sạch quí giá đang bị khai thác dần cạn kiệt, thiếu nước sạch khơng những ảnh
hưởng đến đời sống con người mà cịn ảnh hưởng đến các loại sinh vật trên
trái đất cũng như mọi hoạt động sản xuất, sinh hoạt.
Nước ngọt là một nhu cầu rất cơ bản cho sự sống của con người. Theo
báo cáo của Liên Hiệp Quốc, hơn 1 tỷ người trên thế giới khơng có nước
sạch, khoảng 2,5 tỷ khơng có nhà vệ sinh và mỗi năm hơn 2 triệu người chết
vì thiếu nước sạch và điều kiện vệ sinh. Năm 2007, hội nghị về nước sạch và
bảo vệ môi trường đã diễn ra và nêu lên vấn đề bức xúc về sự thiếu hụt nước
ngọt trầm trọng diễn ra nhiều nơi trên thế giới. Do vậy, cùng với vấn đề thiếu
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
Luận văn thạc sĩ
5
hụt năng lượng thì vấn đề nước sạch cũng là một trong những vấn đề được cả
thế giới quan tâm.
Còn ở Việt Nam chúng ta hiện nay thì sao? Các tỉnh miền núi như Sơn
La, Lào Cai…các hải đảo xa sơi, ngay cả các vùng có lượng nước lớn như
Long An, Bạc Liêu, Đồng Tháp thì hiện nay đang thiếu nước sạch để uống,
sinh hoạt trầm trọng. Cịn ở các thành phố lớn thì ơ nhiễm nguồn nước sạch
đang là một vấn đề đau đầu đối với người dân và các ngành có liên quan.
Lượng nước tự nhiên có khoảng 96,5% là nước mặn phân bố ở biển và
đại dương, phần còn lại được phân bố ở đất liền. Điều này cho thấy rằng
lượng nước ngọt cung cấp cho sinh hoạt của chúng ta hết sức hạn hẹp. Vậy tại
sao ta không tận dụng các nguồn nước mặn, ô nhiễm để sử dụng vào sinh hoạt
và sử dụng như thế nào? Đó chính là lý do ra đời của đề tài, ta sẽ sử dụng máy
chưng cất dùng năng lượng mặt trời mục đích là tiết kiệm năng lượng (gas,
điện…), tạo ra nguồn nước tinh khiết.
III. Thiết bị chưng cất nước ngọt đã được sử dụng:
III.1 Dạng sơ khai:
Từ ngày xưa con người đã biết cách tìm nguồn nước ngọt khi lạc trong
rừng rậm, hoang mạc hay lênh đênh trên biển cả, các thiết bị chưng cất để lấy
nước ngọt sơ khai đã được hình thành. Nhưng nhược điểm của các phương
pháp này là lượng nước thu được rất thấp.
a)
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
b)
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
Luận văn thạc sĩ
6
c)
d)
Hình 2.2: Các thiết bị chưng cất đơn giản
a) Chưng cất nước từ sự hô hấp của cây
b) Dùng nhiệt để chưng cất nước
c) Dùng năng lượng mặt trời chưng cất nước từ đất ẩm
d) Dùng năng lượng mặt trời chưng cất nước
III.2 Dạng một mái nghiêng (Single slope still):
Loại Single slope still là thiết bị chưng cất có một tấm kính đặt nghiêng
phía trên bể chứa nước cần được chưng cất để hấp thụ các tia bức xạ mặt trời.
Tấm kiếng được đặt một góc nghiêng phù hợp để nước ngưng tự chảy xuống.
Dạng Single slope still có thể dùng một miếng bấc hoặc chia ra làm nhiều
khay chứa làm tăng khả năng bay hơi của nước. Lượng nước sạch thu được
của Single slope still khoảng 1,5 – 2 lít/m2/ngày.
Ưu điểm lớn nhất của loại này là tính kinh kế, dễ chế tạo, dễ lắp đặt.
Nhược điểm: hiệu suất thấp.
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
Luận văn thạc sĩ
7
a)
b)
c)
d)
Hình2.3 : Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng single slope still
a)Dạng đơn giản
b) Dạng có nước chảy phía trên
c)Dạng bấc
d)Dạng nhiều khay
III.3 Dạng hai mái nghiêng (Double slope still):
Loại Double slope still là thiết bị chưng cất có hai tấm kính đặt nghiêng
phía trên bể chứa nước cần được chưng cất để hấp thụ các tia bức xạ mặt trời,
làm tăng diện tích hấp thu bức xạ và ngưng tụ. Tấm kiếng được đặt một góc
nghiêng phù hợp để nước ngưng tự chảy xuống. Dạng Double slope still có
thể dùng một miếng bấc tăng khả bay hơi của nước. Hiệu suất thấp, lượng
nước sạch thu được 2 – 2,5 lít/m2/ngày.
Ưu điểm của loại này là tính kinh kế, dễ chế tạo, lắp đặt. Nhược điểm:
hiệu suất thấp nhưng cao hơn loại dạng single slope still.
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
Luận văn thạc sĩ
8
a)
b)
Hình 2.4 : Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng double
slope still
a) Dạng đơn giản
b) Dạng bấc
III.4 Dạng hai bể chứa (Double basin still):
Dạng Double basin still là dạng có 2 phần chứa nước và có hai lớp
kính, mục đích làm tăng diện tích ngưng tụ, từ đó làm tăng lượng nước bay
hơi. Lượng nước sạch thu được khoảng 3 – 4 lít/m2/ngày.
Ưu điểm: tính kinh kế, dễ dàng chế tạo, lắp đặt tại. Nhược điểm: cách
chế tạo có phần phức tạp hơn hai loại trên và phải bố trí một số van để điều
khiển lưu lượng nước.
a)
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
Luận văn thạc sĩ
9
b)
Hình 2.5 : Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng double basin still
a) Dạng đơn giản
b) Dạng bấc
III.5 Dạng cầu:
Thiết bị gồm hai nửa bán cầu thuỷ tinh có đường kính bằng nhau. Phía
trên đỉnh có lắp một motor điều khiển cần gạt, gạt nước ngưng tụ xuống phía
dưới. Nhược điểm: cách chế tạo phức tạp nên loại này ít được sử dụng.
Hình 2.6: Thiết bị chưng cất nước dạng cầu
Các dạng trên được coi là dạng chưng cất nước bị động Passive solar
still, nếu được lắp thêm bơm hoặc quạt để tăng khả năng trao đổi nhiệt thì
được xem là dạng chưng cất nước chủ động Active solar still. Ưu điểm: làm
tăng khả năng trao đổi nhiệt từ đó làm tăng lượng nước sạch thu được. Nhược
điểm: chi phí chế tạo tăng lên đáng kể.
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
10
Luận văn thạc sĩ
Hình 2.7: Thiết bị chưng cất nước dạng Active solar still
III.6 Dạng nhiều cấp (Multi-stage flash distillation) (MSF):
Dạng Multi-stage flash distillation được cấu tạo như hình 8 gồm nhiều
buồng bay hơi, nước cấp vào được gia nhiệt bằng chính lượng hơi bay lên và
Solar collector. Lượng nước sạch thu được khoảng 8 -10 lít/m2/ngày.
Ưu điểm: Hiệu suất tăng do nước cấp được gia nhiệt. Nhược điểm: cấu
tạo phức tạp dẫn đến chi phí tăng cao.
Hình 2.8: Thiết bị chưng cất nước dạng Multi-stage flash
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
11
Luận văn thạc sĩ
III.7 Dạng bay hơi, ngưng tụ áp suất thấp (Multi-Effect distillation)
(MED) (humidification /dehumidification) :
Dạng Multi-Effect distillation có cấu tạo gồm: nhiều thiết bị bay hơi,
ngưng tụ nối tiếp nhau, Solar colector và các bơm chân không làm giảm áp
suất trong các buồng chưng cất. Nước lạnh cấp vào chính là thiết bị ngưng tụ
làm ngưng hơi (dehumidifier), nước được làm nóng bởi Solar colector sẽ làm
bay hơi nước (humidifier). Ưu điểm: được trang bị thêm bơm chân không nên
lượng hơi nước bay hơi rất lớn, hiệu suất tăng cao, lượng nước sạch thu được
từ 10 – 20 lít/m2/ngày. Nhược điểm: do trang bị thêm bơm chân khơng nên
chi phí tăng cao, thiết bị ngưng tụ phải được làm kín hồn tồn nên khó khăn
trong việc chế tạo.
Hình2. 9: Thiết bị chưng cất nước dạng Multi-Effect distillation
III.8 Dạng nén hơi (Vapour compression distillation):
Cấu tạo chính của Vapour compression distillation gồm bộ Solar collector, nhiệt trở bổ sung và máy nén ly tâm. Nước được gia nhiệt bởi bộ colHVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
12
Luận văn thạc sĩ
lector và điện trở làm bay hơi nước. Lượng hơi nước này được máy nén ly
tâm hút qua bộ trao đổi nhiệt mà ngưng lại thành nước tinh khiết.
Ưu điểm : do được bổ sung nhiệt bằng điện trở nên lưu lượng nước
sạch thu được rất cao, phụ thuộc vào thanh điện trở. Nhược điểm: giá thành
thiết bị cao, tuổi thọ thấp do dễ bị ăn mịn.
Hình 2.10: Thiết bị chưng
cất nước dạng Vapour
compression distillation
III.9 Dạng màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis membrane
distillation):
Đây là công nghệ thẩm thấu ngược, cấu tạo chính là một màng lọc có
các lỗ nhỏ li ti khoảng 0,2 μm . Khi nước biển cấp vào được Solar collector
làm nóng lên sẽ qua thiết bị màng thẩm thấu ngược, nước và hơi nước sẽ qua
màng và ngưng tụ lại.
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
Luận văn thạc sĩ
13
Hình 2.11: Thiết bị chưng cất nước dạng Reverse Osmosis
Ngoài ra, loại thẩm thấu ngược xảy ra khi có độ chênh áp giữa hai phía
của màng thẩm thấu, dung dịch từ nơi có áp suất cao sẽ đẩy nước xuyên qua
màng lọc.
Hình 2.12: Thiết bị chưng cất nước dạng Reverse Osmosis dùng cơ
Ưu điểm: sử dụng công nghệ cao nên lượng nước sạch thu được cũng
lớn 15 – 20 lít/m2/ngày. Nhược điểm: giá thành cịn cao.
III.10 Một số dạng đã và đang được nghiên cứu ứng dụng tại Việt
Nam:
Các thiết bị chưng cất nước ngọt hiện đang được nghiên cứu rất nhiều
tại Việt Nam. Công ty cổ phần Khoa học công nghệ P.E (Petech) hiện đang
phát triển thiết bị chưng cất kết hợp bếp nấu. Thiết bị gồm một collector tập
trung có đường kính khoảng 1,5m đặt trên giá đỡ. Nguồn năng lượng tập
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
14
Luận văn thạc sĩ
trung sẽ nâng nhiệt độ của bình chưng cất lên khoảng 800C làm bay hơi nước.
Sau đó, hơi nước sẽ qua bộ phận ngưng hơi hình xoắn ốc để cho ra nước tinh
khiết.
Hình 2.13: Thiết bị chưng cất của cơng ty Petech
Ts Hồng Dương Hùng kết hợp với Tổ chức Phục vụ Năng lượng mặt
trời tại Đà Nẵng đang triển khai đại trà thiết bị chưng cất dùng gương phản
xạ. Lưu lượng nước tinh khiết của các thiết bị này thu được không cao, chỉ
vào khoảng 2,5 – 3 lít/ngày.
Hình 2.14: Thiết bị chưng cất dùng gương phản xạ
Ngoài các thiết bị trên, hiện nay thiết bị chưng cất PGS TS Trần Tuấn
(Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Tp HCM)đang thử nghiệm vật liệu
màng ZnO; PGS TS Nguyễn Tiến Tài kết hợp Viện Hoá học tại Hà Nội
nghiên cứu vật liệu chuyển pha để ứng dụng vào thiết bị chưng cất. PGS. Ts
Nguyễn Tiến Tài cho biết, vật liệu chuyển pha trữ nhiệt có nguồn gốc Para-
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
Luận văn thạc sĩ
15
phin, ví dụ như sáp ong. Ban ngày khi trời q nóng, nhiệt độ cao hơn bình
thường, sáp ong sẽ hấp thụ nhiệt và chuyển từ thể rắn sang thể mềm, giữ cho
nhiệt độ tổ ong không tăng. Ban đêm, khi trời lạnh, sáp ong sẽ giải phóng
nhiệt lượng đã trữ ban ngày và chuyển ngược lại từ thể mềm về thể rắn. Nhờ
vậy, tổ ong luôn có nhiệt độ ổn định. Việc thu nhiệt lượng thừa (tích nhiệt) để
sau đó tái sử dụng (phóng nhiệt) do vật liệu chuyển pha trữ nhiệt đảm nhiệm,
tương tự như hiện tượng nạp – phóng nhiệt của sáp ong. Nhờ vậy, khác với
các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời khác hiện có chỉ hoạt động khi có
mặt trời, công nghệ mới này cho phép thiết bị tiếp tục hoạt động ngay cả khi
trời đã tắt nắng.
IV. Tổng quan về năng lượng mặt trời:
Năng lượng bức xạ 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 năng lượng có được từ các nguồn
nhiên liệu trên trái đất. Trong những năm gần đây đã có nhiều quốc gia trên
thế giới quan tâm nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng siêu sạch, vơ tận này
dưới nhiều hình thức khác nhau và đã đạt được nhiều kết quả.
Một cách gần đúng, có thể xem mặt trời như là một quả cầu có đường
kính ds=1,392.106km, nằm ở một tiêu điểm của quỹ đạo elip của trái đất. Mật
độ bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt của trái đất tỉ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách giữa chúng. Khoảng cách này thay đổi theo ngày trong
năm. Khoảng cách trung bình r0=149,6.106 km được gọi là một đơn vị thiên
văn (AE). Vào ngày 3 tháng 1, khoảng cách giữa mặt trời và trái đất là nhỏ
nhất và bằng 0,983 AE. Khoảng cách lớn nhất vào ngày 4 tháng 7 bằng 1,017
AE.
Do khoảng cách giữa mặt trời và trái đất rất lớn, nên bức xạ mặt trời
tạo ra những chùm tia sáng gần như song song. Khi đi qua lớp khí quyển của
trái đất chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ơzơn, hơi nước, khí cacHVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
16
Luận văn thạc sĩ
bonic và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp
đến bề mặt trái đất. Bức xạ mặt trời ngồi lớp khí quyển gọi là bức xạ mặt trời
ngoài trái đất (hay bức xạ mặt trời vũ trụ).
Mật độ bức xạ mặt trời vũ trụ trên bề mặt vng góc với chùm tia bức
xạ, cách tâm mặt trời một khoảng bằng r0=1AE được gọi là hằng số mặt trời
E0.
Kết quả đo đạc mới nhất (được tổ chức khí tượng thế giới cơng nhận là
chính xác nhất) của hệ số này là [12]:
E0 = (1367 ± 1,6) ,W/m2
Nếu xem mặt trời là vật đen tuyệt đối thì ta dễ dàng tính được nhiệt độ
bề mặt của mặt trời Ts[5]:
⎛ 2r
Ts= ⎜⎜ 0
⎝ ds
⎞
⎟⎟
⎠
1/ 2
⎛ E0 ⎞
⎜ ⎟
⎝σ ⎠
1/ 4
=5777
,K
IV.I Bức xạ tổng xạ:
Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần
chính đó là trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ đã đựơc khảo sát ở trên, cịn thành
phần tán xạ thì khá phức tạp. Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt
là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại
thay đổi khá nhiều. Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần
(hình 2.6).
- Thành phần tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều từ
tồn bộ vịm trời.
- Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt
trời xung quanh tia mặt trời.
- Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đường chân
trời.
HVTH: Nguyễn Lê Hồng Sơn
GVHD: TS. Nguyễn Thế Bảo
