Nghiên cứu hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống thiết bị chưng cất nước biển sử dụng năng lượng mặt trời

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sỹ khoa học
nghiên cứu hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt
trong hệ thống thiết bị chưng cất
nước biển sử dụng năng lượng mặt trời
ngành: công nghệ nhiệt - lạnh

Nguyễn Đức Nam

Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Đặng Quốc Phú

Hà Nội - 2006


Mục lục
LờI CAM đoan .......................................................................................... 4

19T

19 T

LờI CảM ƠN ................................................................................................ 5

19T

19T

CáC Ký HIệU CHủ YếU ............................................................................ 6

19T

19T

Lời nói đầu ................................................................................................ 8

19T

19T

Chương 1: Tổng quan về nguồn nước ngọt và các công

19T

nghệ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ........................... 10
1.1. Hiện trạng về nguồn nước ngọt trên thế giới .................................... 10
1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời 11
1.2.1. Năng lượng mặt trời ................................................................... 11
1.2.2. Thiết Bị thu năng lượng mặt trời ................................................. 13
1.2.2.1. Bộ thu dạng tấm phẳng (flat plate collector) ........................ 14
1.2.2.2. Bé thu d¹ng héi tơ (Focusing Collectors) ............................. 16
1.2.2.3. Bộ thu dạng ống đà rút chân không ..................................... 18
19T

19T

19T

19T

19T

1 9T

19T

19 T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

1.2.3. ứng dụng của năng lượng mặt trời trong thực tế ......................... 20
1.2.3.1. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (Solar water
heating system) ................................................................................. 20
1.2.3.2. Thiết bị sưởi ấm sử dụng năng lượng mặt trời (Solar space
heating system) ................................................................................. 21
1.2.3.3. C«ng nghƯ ch­ng cÊt n­íc b»ng năng lượng mặt trời ........... 23

19T

19T

19T

19T

19T

Chương 2: Các phương pháp chưng cất nước biển bằng

19T

năng lượng mặt trời ......................................................................... 24

2.1. Tỉng quan vỊ c«ng nghƯ ch­ng cÊt n­íc biĨn b»ng năng lượng mặt trời
................................................................................................................. 24
2.2. Các phương pháp chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời ....... 25
2.2.1. Chưng cất bể đơn giản ................................................................ 25
2.2.2. Các hệ thống chưng cÊt tiÕn bé ................................................... 26
2.2.3. C¸c hƯ thèng ch­ng cÊt có kết hợp ............................................. 28
2.2.4. Các loại chưng cất khẩn cất ........................................................ 28
2.2.5. Thiết bị chưng cất kiểu bề mặt ................................................... 29

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

1


2.3. Khả năng ứng dụng của phương pháp chưng cất nước biển bằng năng
lượng mặt trời tại việt nam ....................................................................... 32

19T

1 9T

Chương 3: lý thuyết về quá trình trao đổi nhiệt khi sôi

19T

và một số thiết bị bay hơi đặc trưng ........................................ 34

3.1. Đặc điểm của quá trình bay hơi ......................................................... 34
3.1.1. Các điều kiện của quá trình bay hơi ............................................ 34
3.1.2. Quá trình sôi trên bề mặt vật rắn ................................................. 35
3.2. Một số loại thiết bị bay hơi đặc trưng ............................................... 36
3.2.1. Thiết bị bay hơi kiểu ngập .......................................................... 37
3.2.2. Thiết bị bay hơi kiểu tưới ............................................................ 37

3.2.3. Ưu nhược điển của thiết bị bay hơi kiểu tưới so với thiết bị bay hơi
kiểu ngập .............................................................................................. 38
3.3. Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kiểu tưới ....................... 38
3.3.1. Quá trình sôi trên bề mặt ống đứng ............................................. 39
3.3.1.1. Cân bằng khối lượng và cân bằng xung ............................... 40
3.3.1.2. Cân bằng năng lượng ........................................................... 45
3.3.1.3. Phương pháp giải ................................................................. 47
3.3.1.4. Công thức tính toán thực tế .................................................. 51
3.4. So sánh lý thuyết về hiệu quả của thiết bị sinh hơi kiểu tưới so với kiểu
ngập.......................................................................................................... 53
3.4.1. Thiết bị sinh hơi kiểu tưới ........................................................... 54
3.4.2. Thiết bị sinh hơi kiểu ngập ......................................................... 55

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

Chương 4: Thực nghiệm nghiên cứu quá trình trao đổi

19T

nhiệt trong thiết bị sinh hơi kiểu tưới .................................... 59

4.1. Xây dựng quy trình thí nghiệm ......................................................... 59
4.1.1. Mục đích và yêu cầu .................................................................. 59
4.1.1.1. Mục đích ............................................................................. 59
4.1.1.2. Yêu cầu ............................................................................... 59
4.2.1. Mô hình thí nghiệm .................................................................... 60
4.2.1.1. Sơ đồ thí nghiệm .................................................................. 60
4.2.1.2. Mô tả sơ đồ thí nghiệm ........................................................ 62

4.2.1.3. Cấu tạo của thiết bị sinh h¬i ................................................. 62

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

2


4.2.1.4. Cấu tạo của bình nước cấp ................................................... 64
4.2.2. Hệ thống thiết bị đo lường và khống chế nhiệt độ ....................... 64
4.2.3. Nguyên tắc của phép đo thực nghiệm ......................................... 66
4.2.3.1. Tỉ chøc thÝ nghiƯm .............................................................. 66
4.2.3.2. C¸c biƯn ph¸p giảm sai số của kết quả đo ............................ 66
4.3. Kết quả đo ......................................................................................... 67
4.4. Tính toán hệ số trao đổi nhiệt ............................................................ 69
4.4.1. Cơ sở tính toán ........................................................................... 69
4.4.2. Xây dựng chương trình tính toán ................................................ 71

4.4.2.1 Giới thiệu về phần mềm EES ................................................ 71
4.4.2.2. Chương trình tính toán các thông số đặc trưng của mô hình thí
nghiệm thiết bị bay hơi trên màng nước ............................................ 74
4.4.3. Kết quả tính toán ........................................................................ 76
19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

19T

Chương 5: tính toán thiết kế chế tạo mô hình thí nghiệm hệ

19T

thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời .............. 82

5.1. Mục đích và Yêu cầu ®èi víi hƯ thèng thiÕt bÞ .................................. 82
5.1.1. Mơc ®Ých .................................................................................... 82
5.1.2. Yêu cầu ...................................................................................... 82

19T

19T

19T

5.2. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................... 83

19T

19T

5.3. Tính toán thiết kế bình bay hơI ......................................................... 85

19T

19T

5.3.1 Mô tả thiết bị .............................................................................. 85

19T

19T

5.3.2. Tính toán thiết kế ....................................................................... 86

19T

19T

5.4. Tính toán thiết kế bình ngưng tụ ....................................................... 93

19T

19 T

5.4.1. Mô tả thiết bị ............................................................................. 93

19T

19T

5.4.2. Tính toán thiết kế bình ngưng tụ ................................................. 94

19T

19T

5.5. Tính toán thiết kế bình chứa nước biển .............................................. 98

19T

19T

5.6. Tính toán thiÕt kÕ b×nh n­íc nãng ..................................................... 99

19T

19T

5.7. Lùa chän hƯ thống thiết bị điều khiển đo lường ............................... 101

19T

19T

3


LờI CAM đoan
Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo: GS.TSKH. Đặng Quốc Phú.
Để hoàn thành luận văn này, tôi đà sử dụng những tài liệu được ghi trong
mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu tham khảo nào
khác mà không được ghi. Tôi xin cam đoan không sao chép các công trình
hoặc thiết kế tốt nghiệp của người khác.
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định.
Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2006

Nguyễn Đức Nam

4

LờI CảM ƠN
Bản luận văn này được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ
Nhiệt - Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm
ơn thầy giáo GS.TSKH. Đặng Quốc Phú đà hướng dẫn, động viên và chỉ
bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể cán bộ Bộ môn Kỹ thuật nhiệt Trường
Đại học công nghiệp Hà nội đà tạo điều kiện và thời gian để tôi thực hiện bản
luận văn này. Tôi xin cảm ơn Kỹ sư Nguyễn Đình Lợi, Hoàng Gia Việt và
sinh viên Trần Thị Thu Hằng đà giúp đỡ tôi trong việc hoàn thiện thiết bị thí
nghiệm. Tôi cũng xin cảm ơn những người bạn đà luôn quan tâm, động viên
và giúp đỡ tôi.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố mẹ và gia đình tôi,
những người luôn bên tôi, luôn ủng hộ và động viên tôi cả về vật chất lẫn tinh
thần. Tôi xin dành tặng bản luận văn này cho bố mẹ và gia đình thay cho
những lời cảm ơn của mình.

5


CáC Ký HIệU CHủ YếU

Ký hiệu

Thứ nguyên

Tên đại lượng

b

m

Chiều rộng

D

mm

Đường kính thiết bị

d

mm

Đường kính ống

l

m

Chiều dài

H

m

Chiều cao

s

mm

Bước ống



mm

Chiều dày

F

m2

Diện tích



độ

Góc nghiêng

V

lít

Thể tích

G

kg

Khối lượng



kg/m 3

Khối lượng riêng

g

kg/s

Lưu lượng khối lượng



s

Thời gian

t

C

Nhiệt độ

t

K

Độ chênh nhiệt độ



1/K

Hệ số giÃn nở vì nhiệt

a

m 2 /s

Hệ số dẫn nhiệt độ



m 2 /s

Độ nhớt động học

à

N.s/m 2

Độ nhớt động lực

Q

W

Công suất nhiệt



W/m 2 .K

P

P

P

P

P

P

P

P

P

Hệ số tỏa nhiÖt

6

k

W/m 2 .K

Hệ số truyền nhiệt



W/m.K

Hệ số dẫn nhiệt

E

W/m 2

Năng suất bức xạ

CP

kJ/kg.K

Nhiệt dung riêng đẳng áp

r

kJ/kg.K

Nhiệt ẩn hóa hơi

p

bar

áp suÊt

R

P

P

P

7


Lời nói đầu
Nước ngọt là hợp chất liên quan trực tiếp và có tính quyết định đến sự
sống và là nguồn sống của mọi sinh vật trên trái đất. Một đặc điểm hết sức
quan trọng đối với nước, đó là trên hành tinh chúng ta, nước không hề được
sản xuất ra và cũng không bị tiêu hao mà chỉ chu chuyển thông qua các hoạt
động của hệ sinh thái và hoạt động sản suất của con người.
Do nhu cầu sử dụng nước ngày càng cao, trong khi các nguồn nước và trữ
lượng nước sạch ngày càng ít đi, đặc biệt là các vùng ven biển và hải đảo.
Chưng cất nước ngọt từ nước biển là đề tài nghiên cứu rất thiết thực đối
với đời sống của con người, đặc biệt là phương pháp chưng cất nước ngọt từ
nước biển sử dụng năng lượng mặt trời khi mà các nguồn năng lượng khác

đang ngày càng cạn kiệt.
Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đà và đang trở thành đề tài được
nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Nguồn năng lượng
mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, do đó vấn đề đặt ra ở đây là chúng ta sẽ
ứng dụng được nguồn năng lượng vô tận này trong những lĩnh vực gì? Chưng
cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng mặt trời là một trong số những
lĩnh vực sử dụng nguồn năng lượng này.
Tuy nhiên, nguồn năng lượng thu được từ bức xạ mặt trời bằng các bộ thu
phẳng là nguồn năng lượng có nhiệt độ có giới hạn khoảng 100 0 C, vì vậy để
P

P

thực hiện được và tăng hiệu quả của quá trình chưng cất cần phải thực hiện
quá trình chưng cất ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, có nghĩa là quá trình
chưng cất phải được thực hiện ở áp suất tương ứng với nhiệt độ sôi nhỏ hơn
nhiệt độ của nguồn năng lượng.
Hiện nay trên thế giới đà có nhiều nhà máy sản xuất nước ngọt từ nước
biển tại Trung Đông (Israel, Arập xê út), Địa Trung Hải (Matla), châu Mỹ,

8


Nam Âu, Caribe, Nhật Bản, Trung Quốc, quần đảo Channel, đảo Tenerife và
Gran Canaria .v.vứng dụng các công nghệ khác nhau.
Việt Nam là nước có địa hình khá phức tạp, nhiều vùng đồi núi, biên
cương, hải đảo xa xôi, nhiều nơi bị nhiễm mặn .v.v rất khan hiếm nước ngọt
phục vụ cho sinh hoạt. Chính vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ
sản xuất nước ngọt từ nước biển sử dụng nguồn năng lượng mặt trời trong điều
kiện Việt Nam tại các vùng ven biển, hải đảo .v.vlà một lĩnh vực đang rất

được quan tâm trong giai đoạn hiện nay.
Với mục đích muốn góp một phần nhỏ bé vào việc tìm kiếm các biện
pháp và công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình chưng cất nước ngọt
từ nước biển sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, luận văn này tập trung
nghiên cứu một cơ chế sôi hy vọng mang lại hiệu quả cao đó là cơ chế sôi trên
màng nước mỏng và ứng dụng nó vào việc thiết kế chế tạo một mẫu thiết bị
chưng cất nước biển băng năng lượng mặt trời.
Đáng tiếc là do trình độ và thời gian còn rất hạn chế và những kết quả
nghiên cứu trình bày trong luận văn này mới là những kết quả nghiên cứu ban
đầu, hơn nữa đề tài lại tương đối mới mẻ nên sẽ không tránh khỏi thiếu sót.
Rất mong được sự trao đổi, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp và
những ai quan tâm đến đề tài này.

9


Chương 1
Tổng quan về nguồn nước ngọt và các công nghệ sử
dụng nguồn năng lượng mặt trời
Nguồn năng lượng mặt trời hiện nay đà và đang được khai thác và sư
dơng ë nhiỊu qc gia trªn thÕ giíi b»ng nhiỊu phương thức khác nhau với
một mục đích cuối cùng là biến nguồn năng lượng mặt trời thành nguồn năng
lượng hữu ích phục vụ nhu cầu đời sống của con người. Chưng cất nước biển
bằng năng lượng mặt trời thành nước ngọt để sử dụng, không những tận dụng
được nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời mà còn đáp ứng được phần nào về
nhu cầu sử dụng nước ngọt trong sinh ho¹t cđa con ng­êi.
1.1. hiƯn tr¹ng vỊ ngn n­íc ngät trªn thÕ giíi

Theo thèng kª cđa Liªn hiƯp qc, ước tính hiện có hơn 200 triệu người
trên thế giới không được cung cấp nước sinh hoạt đều đặn, an toàn và đủ để

đảm bảo cho cuộc sống của họ.
Hiện nay, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong viƯc cung
cÊp n­íc ng do viƯc ph¸t triĨn c¸c nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế.
Theo khảo sát của các tổ chức quốc tế, 97,5% nước trên trái đất là nước biển
và còn lại 2,5% là nước ngọt. Phần lớn nước ngọt được dự trữ trong các sông
băng, tảng băng và dưới lòng đất. Nước mà con người có thể khai thác và sử
dụng dễ dàng chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0,01% tổng
lượng nước ngọt hiện có.
Trong khi đó, dân số toàn cầu ngày càng tăng do đó nguy cơ đối mặt với
tình trạng khan hiếm nước chắc chắn sẽ xảy ra.
Hiện nay đà có nhiều nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại Trung
Đông (Israel, Arập xê út), Địa Trung Hải (Matla), châu Mỹ, Nam Âu, Caribe,
Nhật Bản, quần đảo Channel, đảo Tenerife và Gran Canaria nơi nguồn nước
ngọt tự nhiên rÊt khan hiÕm do l­ỵng n­íc m­a thÊp.

10


Trong những thập kỷ 1960 1970, để khắc phục tình trạng thiếu nước
người ta đà xây dựng nhiều hồ chứa hơn. Tuy nhiên, giá thành nước gia tăng
đà làm cho các công ty thương mại không thể lựa chọn giải pháp này. Khử
muối trong nước biển là một giải pháp tương đối mới. Nó bắt nguồn từ Trung
Đông vào những năm 1980 và 1990. Trong tổng số 7.500 nhà máy khử muối
đang hoạt động trên toàn thế giới, 60% nằm tại Trung Đông với tổng công
suất 16 tỷ lít mỗi ngày.
Nhà máy lọc nước biển lớn nhất thế giới ở Arập xê út sản xuất 128 triệu
galon mỗi ngày (tương đương với 581 triệu lít). Arập xê út là n­íc s¶n xt
n­íc ngät tõ n­íc biĨn lín nhÊt thÕ giới, đáp ứng 70% nhu cầu nước uống
hiện nay của đất nước này. Trong khi đó, 12% nước được khử muối của thế
giới được sản xuất ở châu Mỹ với phần lớn nhà máy nằm ở Florida và

California. Mỹ có 1500 nhà máy khử muối khỏi nước ngầm và nước bề mặt
với công suất 5 tỷ lít mỗi ngày.
1.2. lịch sử phát triển của công nghệ sử dụng nguồn năng
lượng mặt trời
1.2.1. Năng lượng mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có nhiệt độ rất cao, có đường kính
khoảng 1,39.10 6 km và cách trái đất khoảng 1,5.10 8 km. Bề mặt của mặt trời
P

P

P

P

có nhiệt độ vật đen hiệu quả (effective black body temperature) vào khoảng
5760 K trong khi đó nhiệt độ thực tế của các vùng bên trong của mặt trời ước
tính khoảng 8.10 6 40.10 6 K. Mật độ của các dòng khí vào khoảng 100 lần
P

P

P

P

so với nước. Có thể coi mặt trời là một lò phản ứng hạt nhân rất lớn, với một
loạt các phản ứng kết hợp (Fusion reaction) diễn ra liên tục và cung cấp năng
lượng dưới dạng bức xạ của mặt trời. Phản ứng bức xạ quan trọng nhất là quá

trình tái tạo hydrô (nghĩa là 4 prôtôn kết hợp với nhau để tạo ra một hạt nhân
Hêlium), khối lượng của hạt nhân Hêlium nhỏ hơn khối lượng của bốn prôtôn,
phần khối lượng mất mát trong phản ứng dược biến đổi thành năng lượng.

11


Trái đất có dạng hình cầu đường kính khoảng 12700 km. Trái đất quay
xung quanh trục của nó (một vòng mất 24 giờ) và đồng thời quay xung quanh
mặt trời với quỹ đạo tròn (một vòng mất 364,25 ngày). Mặt trời nằm lệch một
chút so với tâm của quỹ đạo tròn. Vào ngày 1/1 hàng năm, trái đất gần mặt
trời nhất, trong khi vào ngày 1/7 hàng năm, trái đất xa mặt trời nhất. Trục
quay của trái đất nghiêng 23,5 độ so với mặt phẳng quay của trái đất xung
quanh mặt trời, như được biểu diễn trên H.1-1.

H.1-1: Trái đất quay xung quanh mặt trời
Năng lượng bức xạ mặt trời nhận được tại bề mặt của trái đất sẽ bị thay
đổi tuỳ thuộc vào :
a- Sự tán xạ của các phân tử không khí, hơi nước và bụi trong khí
quyển.
b- Sự hấp thụ của các khí ôxy, hơi nước, và cacbonic trong khí quyển.

H.1- 2: Vị trí tương đối giữa mặt trời và trái đất

12


Bức xạ trái đất nhận được từ mặt trời được phân ra làm 2 loại:
- Bức xạ tia, hoặc bức xạ trực tiếp (direct radiation) là bức xạ nhận được
từ mặt trời trên bề mặt trái đất mà không bị tán xạ bởi khí quyển.

- Bức xạ khuếch tán (diffuse radiation) là bức xạ nhận được từ mặt trời
sau khi hướng bức xạ bị thay đổi do tán xạ trong khÝ qun.
Tỉng cđa bøc x¹ (bøc x¹ trùc tiÕp + bức xạ khuếch tán) gọi là bức xạ mặt
trời toàn phần (Total or Global radiation).
1.2.2. thiết Bị thu năng lượng mặt trời

Thiết bị thu năng lượng mặt trời được dùng để thu năng lượng bức xạ của
mặt trời và biến đổi nó thành một dạng năng lượng hữu ích khác phù hợp với
nhu cầu sử dụng thực tế.
Thông số đặc tính quan trọng của một thiết bị thu năng lượng mặt trời là
hiệu suất thu năng lượng, nó được xác định bằng tỉ số của nhiệt hiệu quả thu
nhận được trong một khoảng thời gian xác định và năng lượng bức xạ mặt trời
chiếu tới bộ thu trong khoảng thời gian đó. Hiệu suất của một bộ thu cho trước
và đối với một giá trị của bức xạ mặt trời chiếu tới bộ thu sẽ phụ thuộc vào
môi chất lưu ®éng trong bé thu ®ã. NhiƯt ®é m«i chÊt l­u động càng lớn thì
nhiệt độ bề mặt tấm hấp thụ càng cao dẫn đến tổn thất nhiệt từ bề mặt hấp thụ
sẽ tăng và hiệu suất bộ thu sẽ giảm. ở điều kiện ổn định, năng lượng hữu ích ở
đầu ra Q u của bộ thu năng lượng mặt trời là chênh lệch giữa năng lượng bức
R

R

xạ mặt trời hấp thụ được của bộ thu S và tổn thất nhiệt từ bề mặt hấp thụ ở
nhiệt độ bề mặt bộ thu T p,m :
R

R

Q u = A c [ S – U l (T p,m – T q )]
R

R

R

R

R

R

R

R

Trong ®ã :
A c : DiƯn tÝch bỊ mỈt bé thu
R

R

U l : HƯ sè trun nhiƯt cđa bé thu
R

R

13

R

R


T q : Nhiệt độ môi trường
R

R

collector =
R

R

1.2.2.1. Bộ thu dạng tấm phẳng (flat plate collector)
Diện tích dùng để hấp thụ bức xạ mặt trời chính là diện tích mặt của thiết
bị (Intercepting solar radiation area) (H.1-3).

H.1-3: Bộ thu dạng tấm phẳng
Bộ thu dạng tấm phẳng thường được sử dụng để cung cấp năng lượng ở
nhiệt độ vừa phải (d­íi 100 0 C), CÊu t¹o cđa bé thu d¹ng tấm phẳng gồm các
P

P

bộ phận sau:
- Tấm phủ trong suốt: Được làm bằng thủy tinh hay bằng các vật liệu
trong suốt, nhiệm vụ cơ bản của các tấm này là tạo ra hiệu ứng nhà kính để làm
giảm bớt tổn thất năng lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của bộ thu ra ngoài môi
trường, đồng thời hạn chế sự tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu. Tùy theo mức
nhiệt độ làm việc của bộ thu mà chọn số lượng các tấm phủ. Nói chung khi

14


nhiệt độ càng cao thì số lượng tấm phủ càng lớn, thông thường số lượng tấm
phủ phổ biến là từ 1 đến 2 tấm. Trong một vài trường hợp có thể không cần
dùng đến tấm phủ.
- Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời: Là bề mặt nhận năng lượng mặt trời
để truyền lại cho môi chất làm việc. Thông thường bề mặt này được sơn màu
đen để gia tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ
ngược lại từ bề mặt hấp thụ.
- RÃnh dẫn môi chất làm việc: Dùng để dẫn hướng cho môi chất làm
việc đi qua bộ thu và nhận nhiệt từ bề mặt hấp thụ và được đặt ở phÝa d­íi cđa
bỊ mỈt hÊp thơ, ë mét Ýt tr­êng hợp rÃnh dẫn môi chất làm việc có thể được
đặt ở mặt trên của bề mặt hấp thụ.
- Lớp cách nhiệt: Được đặt ở mặt dưới và hai bên thành của bộ thu để
giảm tổn thất nhiệt.
Hiện nay, bộ thu dạng tấm phẳng đang được sử dụng nhiều trong thực tế
vì nó có một số ưu điểm sau :
- Hấp thụ cả hai dạng bức xạ mặt trời là bức xạ tia (trực tiếp) và bức xạ
khuếch tán.
- Không đòi hỏi phải hướng bộ thu theo hướng mặt trời (đặt cố định)
- Chi phí đầu tư thiết bị thấp (có thể dùng vật liệu địa phương), vận hành
đơn giản, chi phí bảo dưỡng thấp.
- Bề mặt thuỷ tinh làm việc như một vật thể trong suốt đối với bức xạ mặt
trời sóng ngắn, nhưng lại đóng vai trò như một vật mờ (Opaque Object)
đối với năng lượng phản xạ. Do vậy, nó hoạt động như một bẫy năng
lượng mặt trời. Môi chất làm việc để nhận nhiệt từ bộ thu có thể là
không khí lưu động giữa bề mặt đen và kính chắn hoặc là nước chảy
trong các ống được gắn trên bề mặt đen (Blackened surface plate).

Trong những năm gần đây các lớp phủ đen bề mặt đà được nghiên cứu và
sử dụng với khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời rất cao và đồng thời có hệ sè

15


phát xạ thấp đối với bức xạ sóng dài. Các bề mặt này cho phép bộ thu mặt trời
dạng tấm phẳng có thể vận hành ở nhiệt độ gần 100 0 C.
P

P

1.2.2.2. Bộ thu dạng hội tụ (Focusing Collectors)
Trong các bé thu héi tơ, ng­êi ta sư dơng c¸c hƯ thống gương để làm tăng
cường độ bức xạ mặt trời trên bề mặt hấp thụ năng lượng. Các bộ thu này do
vậy có thể tạo ra nguồn năng lượng có nhiệt độ cao hơn so với bộ thu tấm
phẳng. Các hệ thống hội tụ chỉ hấp thụ thành phần bức xạ tia trực tiếp của mặt
trời, do vậy thành phần khuếch tán được xem là một phần của tổn thất năng
lượng trong hệ thống.
H.1-4 mô tả một vài dạng của bộ thu hội tụ, dạng thứ nhất bao gồm mặt
phẳng nhận năng lượng (Plane receiver with Plane receiver) và hai mặt phẳng
phản xạ được bố trí tại hai bên rìa của mặt phẳng nhận năng lượng, nhằm
hướng các tia bức xạ bổ sung vào bề mặt nhận năng lượng (H.1-4.a). Tỷ lệ hội
tụ (tỷ số giữa độ mở Apature của bộ thu so với diện tích hấp thụ năng lượng)
của loại này thường thấp, giá trị cực đại không vượt quá 4, hình H.1-4.b đưa ra
sơ đồ nguyên lý của một bề mặt phản xạ hình cong có dạng Parabol. Các tia
bức xạ mặt trời chiếu đến bề mặt cong, những tia này được phản xạ và hội tụ
tại bộ thu có bề mặt hình trụ (có bề mặt thu dạng ống) hoặc là một bề mặt tròn
xoay (với bộ thu có dạng hình bán cầu). Thể hiện trên hình H.1-4.c, H.1-4.d,
H.1-4.e bề mặt phản xạ gồm các tấm gương riêng rẽ gọi là Fresnel, là tổ hợp

của các bề mặt phản xạ tấm phẳng đặt trên một giá đỡ chuyển động để có thể
điều chỉnh được góc nghiêng của các mặt phẳng theo vị trí của mặt trời. Hầu
hết các bộ thu hội tụ được trang bị cơ chế điều chỉnh và định hướng để cho các
bức xạ tia từ mặt trời có thể được phản xạ đến bề mặt tiếp nhận năng lượng.
Nói chung, nhiệt độ làm việc của bộ thu dạng tập trung lớn hơn so với
nhiệt độ làm việc của bộ thu dạng tấm phẳng. Chính vì vậy khi yêu cầu nhiệt
độ làm việc vượt qua 100 o C bộ thu dạng tấm phẳng được thay thÕ b»ng bé thu
P

P

d¹ng tËp trung.

16


H.1- 4: Các bộ thu năng lượng mặt trời dạng héi tô

17


1.2.2.3. Bộ thu dạng ống đà rút chân không
Đây là một biến thể của bộ thu dạng tấm phẳng. Giá thành của bộ thu
dạng ống đà rút chân không khá đắt nhưng hiệu quả của loại này rất cao, cao
hơn rất nhiều so với các bộ thu dạng tấm phẳng thông thường khác. Đặc biệt
có thể sử dụng với các bộ thu dạng ống đà rút chân không ở những vùng ít
nắng hoặc có nhiệt độ ngoài trời khá thấp. Có thể nói, hiệu quả của bộ thu loại
này hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như tốc độ gió ở môi trường
xung quanh. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu có xu hướng sử
dụng loại bộ thu này để cấp nhiệt cho các loại máy lạnh hấp thụ dùng trong

điều hoà không khí. H.1-5.a trình bày hình dạng bên ngoài của một bộ thu
dạng ống đà rút chân không.

H.1- 5.a: Hình dạng bên ngoài của bộ thu dạng ống đà rút chân không
Trên H.1-5.b trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống nước nóng sử dụng
bộ thu năng lượng mặt trời dạng ống đà rút chân không, H.1- 5.c trình bày cấu
tạo chi tiết của ống hút chân không. Trong trường hợp này, vỏ bäc h×nh trơ

18


b»ng thđy tinh cã d¹ng èng nghiƯm víi hai líp: lớp bên ngoài và lớp bên
trong, ở giữa hai lớp này là chân không. Cả hai lớp làm bằng thủy tinh
Borosilicate, lớp bên ngoài hoàn toàn trong suốt, còn lớp bên trong được sơn
chất hấp thụ chọn lọc ở bề mặt đường kính lớn hơn (bề mặt tiếp xúc với chân
không).

H.1- 5.b: Nguyên tắc của bộ thu dạng ống đà rút chân không

H.1- 5.c: Cấu tạo ống chân không
1- Mặt thủy tinh bên trong
2- Bề mặt hấp thụ chọn lọc

3- Vùng chân không
4- Mặt thủy tinh bên ngoài

19


1.2.3. ứng dụng của năng lượng mặt trời trong thực tế

1.2.3.1. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (Solar water heating system)
Ngày nay việc sử dụng điện năng để chạy các thiết bị nhiệt (đốt nóng)
không kinh tế, như vậy về mặt sử dụng nó bị hạn chế, không còn được ưa
chuộng, thay vào đó người ta sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để đun nóng
nước, gọi là thiết bị đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời (hình H.1-6),
tại đây nước sẽ được đốt nóng trước khi cấp cho các hộ tiêu thụ. Trong hệ
thống tuần hoàn tự nhiên, bể chứa được đặt cao hơn bộ hấp thụ, nước ở bên
trong bộ thu sẽ hấp thụ năng lượng mặt trời từ tấm hấp thụ và nóng lên, nhẹ đi
(do mật độ giảm) và chảy về bể chứa. Nước lạnh từ bể chứa sẽ chảy vào phía
dưới của bộ thu. Vào ban đêm, khi bộ thu lạnh đi (vì không có năng lượng mặt
trời), không có sự tuần hoàn của nước trong hệ thống, nước nóng được lưu trữ
trong bể chứa (thường được cách nhiƯt rÊt tèt). ViƯc bè trÝ thiÕt bÞ gia nhiƯt bổ
sung đảm bảo nhiệt độ nước cấp cho hộ tiêu thụ là đủ nóng, đặc biệt trong
những ngày nhiều mây.

H.1- 6: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đun nước
mặt trời tuần hoàn tự nhiên có thiết bị đốt nóng bæ sung

20


H.1- 8: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đun nước mặt trời
toàn phần cưỡng bức có gia nhiệt bổ sung trên đường cấp đến nơi tiêu thụ
Thiết bị đun nước nóng tuần hoàn cưỡng bức (hình H.1-8) được trang bị
một bơm nước tuần hoàn nhằm duy trì việc tuần hoàn nước trong bộ thu.
Trong trường hợp này, không cần phải đặt bể chứa cao hơn bộ thu. Van kiểm
tra lắp đặt để ngăn chặn sự tuần hoàn ngược và các tổn thất nhiệt vào ban đêm
của bộ thu. Nhiệt cđa bé thu, møc n­íc cđa bĨ chøa, b¬m n­íc tuần hoàn
được điều chỉnh bằng thiết bị điều khiển.

1.2.3.2. Thiết bị sưởi ấm sử dụng năng lượng mặt trời (Solar space heating system)
Nguyªn lý cđa mét hƯ thèng s­ëi Êm sử dụng năng lượng mặt trời được
thể hiện trên hình H.1-9; các hệ thống này có 4 chế độ vận hành cơ bản :
- Chế độ A : Có năng lượng mặt trời và không cần sấy sưởi, năng lượng
thu được từ bộ thu sẽ được tích trữ trong buồng lưu trữ (là buồng chứa
sỏi hay đá nếu môi chất làm việc là khí, là bể nước nóng nếu môi chất làm
việc là nước).
- Chế độ B : Có năng lượng mặt trời và có nhu cầu sấy sưởi. Năng lượng
thu nhận được từ bộ thu sẽ được sử dụng ®Ĩ gia nhiƯt cho toµ nhµ, bƯnh
viƯn …

21


- Chế độ C : Không có năng lượng mặt trời, có nhu cầu sấy sưởi và có
nhiệt trong buồng lưu trữ. Năng lượng lưu trữ trong buộng này sẽ đựơc sử
dụng để sấy, sưởi cho toà nhà, bệnh viện
- Chế độ D : Không có năng lượng mặt trời, có nhu cầu sấy sưởi, không
có năng lượng tích trữ. Năng lượng từ thiết bị bổ sung sẽ được sử dụng.
Hệ thống gia nhiệt không khí (hình H.1-9.a) sẽ không gặp khó khăn trong
khi vận hành ở điều kiện nhiệt độ thấp vào mùa đông, không có hiện tượng bị
đốt nóng quá nước (Over heating).

H.1- 9: Sơ đồ nguyên lý sử dụng năng lượng mặt trời

22


Hệ thống đun nước để sấy sưởi (hình H.1-9.b) đòi hỏi để bể lưu trữ có thể
tích nhỏ hơn, chi phí vận hành bơm là thấp. Tuy nhiên nó có nhược điểm là

nước trong hệ thống có thể bị đông đặc khi thiết bị vận hành vào mùa đông và
có thể xuất hiện hiện tượng tích áp vào mùa hè. Cũng cần phải lưu ý đến vấn
đề ăn mòn kim loại khi sử dụng các hệ thống này.
1.2.3.3. Công nghệ chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời
Hiện nay, chưng cất nước ngọt từ nước biển được coi là một giải pháp
nhằm mục đích giải quyết vấn đề khan hiếm nước sinh hoạt tại các vùng biển
có nguồn nước bị ô nhiễm, nhiễm mặn,
Nguồn nhiệt dùng để chưng cất nước biển có thể là năng lượng từ các sản
phẩm cháy hoặc có thể là năng lượng điện hoặc có thể là năng lượng mặt trời.
Chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời là phương pháp dùng
nguồn nhiệt thu từ bộ thu năng lượng mặt trời để gia nhiệt cho nước biển thực
hiện quá trình bay hơi, hơi nước sẽ được đưa đến thiết bị ngưng tụ để ngưng
lại thành nước và được đưa đến nơi tiêu thụ.
Tuỳ theo phương pháp và công nghệ nước biển có thể được gia nhiệt trực
tiếp hoặc gián tiếp thông qua chất tải nhiệt.
Công nghệ chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời được thực hiện
ở Las Salnas, bắc Chi Lê đà xây dựng một bể lớn để chưng cất vào năm 1872,
nó làm việc có hiệu quả trong vòng 40 năm. ở úc và Hy Lạp các hệ thống
chưng cất này đà được xây dựng vào những năm 1960 vẫn tiếp tục vận hành
tốt và các nước đang phát triển như ấn Độ, Pakistan và Trung Quốc đều có
trạm chưng cất làm viƯc rÊt hiƯu qu¶.

23


Chương 2
Các phương pháp chưng cất nước biển bằng năng
lượng mặt trời
2.1. tổng quan về công nghệ chưng cất nước biển bằng năng
lượng mặt trời

Chưng cất nước ngọt từ nước biển hiện nay được đánh giá là một quá
trình quan trọng trong công nghệ sản xuất nước sạch phục vụ sinh hoạt tại các
vùng có trữ lượng nước ngọt khan hiếm. Đặc điểm của quá trình chưng cất là
dùng nguồn năng lượng mặt trời để đốt nóng nước biển và tạo sự bay hơi để
tách nước ngọt từ nước biển ở dạng hơi nước, hơi nước sẽ được đưa qua một
thiết bị ngưng tụ và được ngưng lại thành nước ở dạng lỏng và được tích chứa
trong bể tích, sau đó sẽ được đem đi sử dụng theo từng yêu cầu cụ thể. Nước
biển sau khi đi qua thiết bị chưng cất sẽ có độ mặn cao hơn và được hoà trộn
với một lượng nước biển mới có độ mặn thấp hơn để tận dụng lượng nhiệt tích
trong phần nước biển thải ra hoặc thải trực tiếp ra biển.
Thành phần của nước biển được xác định là có hơn 70 các chất hoà tan cơ
bản nhưng trong đó có 6 chất chính chiếm tỷ lệ 99% trong thành phần là :
Chloride (Cl):
Sulphate (SO 4 ):
Calcium (Ca):
R

R

55.04 %
7.68 %
1.16 %

Sodium (Na):
Magnesium (Mg):
Potassium (K):

30.61 %
3.69 %

1.10 %

Độ mặn trong nước biển được đánh giá bằng tổng lượng muối hoà tan
(tính theo gram) trong 1kilogram (hoặc litre) nước. Thông thường độ mặn của
nước biển là 35 gram/kilogram (35 ).
Nguồn năng lượng thu được qua các bộ thu năng lượng mặt trời thông
dụng có thể được dùng để đốt nóng trực tiếp nước biển hoặc gián tiếp thông
qua một chất tải nhiệt khác (thông thường là nước sạch) tuỳ theo từng phương

24