1 I. Tình hình năng lượng: Khi cuộc khng hoảng giá dầu mỏ trên toàn thế giới chưa có dấu hiệu bình ổn, nhiều quốc gia đã ưu tiên sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Việt Nam là nước rất có tiềm năng về năng lượng mặt trời, nhưng ứng dụng lại rất hạn chế. Bức xạ tổng: 85 – 190 kcal/cm 2 /năm. Số giờ nắng: 1400 – 3000 giờ/năm. Nhiệt độ trung bình: 27,5 0 C. Theo tính toán ca các nhà khoa học, mỗi năm 1m 2 thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời có thể tiết kiệm năng lượng được từ khoảng 500-900 kWh tùy theo vùng khí hậu và hiệu suất thiết bị. Như vậy, trung bình 1m 2 mỗi năm giảm được khoảng 150kg khí thải CO2 so với dùng than đá, dầu hỏa hay khí đốt. Điện năng lượng mặt trời có lợi thế cung cấp cho các hộ gia đình, khu vực dân cư nông thôn biệt lập mà truyền tải lưới điện quốc gia rất tốn kém. Cho dù chương trình phát triển mở rộng lưới điện được thực hiện khẩn trương thì đến năm 2015 nước ta vẫn còn khoảng 1100 xã, làng vùng sâu, vùng xa và miền núi với 500.000 hộ gia đình (khoảng 3 triệu dân) được ngành điện xác định là lưới điện chưa thể kéo tới được. Cũng có khoảng 500.000 hộ khác trong các xã có điện vẫn được xem là không thể có điện vì chi phí đầu tư cao. Rõ ràng với những tính toán ấy, việc sử dụng năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng khác phục vụ nhu cầu tiêu dùng trong nhân dân là việc làm cần được tính đến. 2 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 nông thôn, 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. Ta thấy rõ ràng thu nhiệt mặt trời cung cấp nước nóng là một trong các công nghiệp có tốc độ phát triển rất cao trong thời gian gần đây. Tốc độ đó được dự báo là sẽ còn tăng trưởng cao hơn trong những thập kỷ tới. II. Nhu cầu nguồn nước ngọt và nước nóng: Hình 1: Sự phân bố nước trên trái đất Nước là một nguồn tài nguyên thiên nhiên rất phong phú quanh ta, từ những dòng chảy, sông hồ, nước ngầm đến đại dương mênh mông là nơi muôn loài thuỷ sinh sinh sống, nước được sử dụng trong mọi mặt ca 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 không những ảnh hưởng đến đời sống con người mà còn ảnh hưởng đến các loại sinh vật trên trái đất cũng như mọi hoạt động sản xuất, sinh hoạt. 3 Còn ở Việt Nam chúng ta hiện nay thì sao? Các tỉnh miền núi như Sơn La, Lào Cai…các hải đảo xa sôi, ngay cả các vùng có lượng nước lớn như Long An, Bạc Liêu, Đồng Tháp thì hiện nay đang thiếu nước nóng, nước sạch để uống, sinh hoạt trầm trọng. Còn ở các thành phố lớn thì ô nhiễm nguồn nước sạch đang là một vấn đề đau đầu đối với người dân và các ngành có liên quan. Rõ ràng là nước sạch để uống và nước nóng để sinh hoạt từ NLMT có giá thành rẻ hơn nhiều so với sử dụng các nguồn năng lượng khác. giá năng lượng ca nước nóng mặt trời chỉ bằng 5-15% ca điện hoặc gas. Đúng hơn, NLMT là miễn phí, giá ca nó là do thu hồi tiền đầu tư ban đầu vào thiết bị. Những lợi ích môi trường mà NLMT mang lại là rất lớn. nó không hề đòi hỏi thay đổi địa chất do khai khoáng. Không hề thải ra các chất khí hay các chất thải rắn. Không phát sinh thêm nhiệt. Về lâu dài NLMT sẽ phải đóng vai trò chính trong cán cân năng lượng ca công nghiệp. III. Đối tượng nghiên cứu: Nhằm góp phần vào việc nghiên cứu chế tạo, hình thành ý tưởng về thiết bị chưng cất nước ngọt kết hợp sản xuất nước nóng phục vụ cho nhu cầu hàng ngày ca người dân (nhất là những khu vực xa xôi hẻo lánh); góp phần vào công tác giảng dạy ca một số môn năng lượng mới, năng lượng mặt trời. Do đó, việc hình thành ý tưởng, nghiên cứu chế tạo thiết bị chưng cất nước ngọt và sản xuất nước nóng là nhu cầu cấp thiết. Nước cấp vào ở đây là nước tương đối sạch, không bị ô nhiễm, có thể sử dụng được trong sinh hoạt. Mô hình này có thể cung cấp nước ngọt và nước nóng cho một hộ gia đình có từ 3-4 người. Đó cũng chính là đối tượng nghiên cứu ca đề tài. 4 IV. Mục đích, giới hạn nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu chế tạo mô hình chưng cất nước ngọt kết hợp sản xuất nước nóng” nhằm mục đích thiết kế và chế tạo mô hình hoàn thiện để có thể ứng dụng sản xuất đại trà đồng thời có thể dung làm mô hình thực tế trong giảng dạy. Do thời gian, dụng cụ đo đạc cường độ bức xạ và kinh phí nghiên cứu nên tác giả chỉ chế tạo 01 mô hình hoàn thiện hoạt động gián đoạn để đo đạc các thông số thực nghiệm. Bảng 1: Số giờ nắng trung bình hàng ngày tại Tp.HCM Giên g Hai Ba Tư Nă m Sáu Bảy Tá m Chí n Mườ i 11 12 1994 6.9 8.1 6.9 7.4 5.8 5.3 5.0 5.8 4.1 5.1 7.0 5.9 1995 6.8 8.4 7.3 8.4 6.3 6.2 6.0 4.8 3.1 5.2 4.0 4.9 1996 4.7 6.7 8.3 7.0 5.7 5.3 3.9 5.2 3.6 3.6 4.0 3.2 1997 5.7 5.2 7.0 6.6 5.5 5.4 3.9 5.4 4.5 6.1 5.8 7.2 1998 8.0 8.1 9.7 7.6 6.1 5.4 5.9 5.8 4.5 3.8 4.1 4.2 1999 5.3 6.9 7.8 5.2 5.4 5.0 4.6 5.4 6.0 4.7 5.4 4.9 2000 6.2 6.7 6.0 6.4 5.9 5.4 5.4 4.5 6.0 3.4 5.5 4.4 2001 5.6 6.0 6.5 6.5 6.6 4.9 6.4 4.6 6.1 4.4 4.5 5.8 2002 6.7 8.0 8.4 8.0 7.7 5.4 6.0 4.6 5.3 5.8 5.8 6.5 2003 7.0 7.8 8.2 8.3 4.4 6.9 5.4 5.8 5.4 4.4 5.6 4.7 Trun g bình 6.3 7.2 7.6 7.1 6.0 5.5 5.3 5.2 4.9 4.7 5.2 5.2 5 V. Tính toán thiết kế thiết bị: (Cơ sở lý thuyết) Hình 2: Sơ đồ thực nghiệm của thiết bị chưng cất nước ngọt và sản xuất nước nóng Mô tả hệ thống: Hình 1 mô tả sơ đồ thực ca hệ thống. Kích thước hệ thống: 1x1x0,2m; gồm tấm hấp thụ làm bằng nhôm, được sơn đen hoàn toàn và có tấm vải cotton ph lên phía trên, tấm kính ph. Hệ thống này đặt nghiên một góc 30 0 để nước ngưng có thể tự chảy xuống máng hứng. Nước cấp được cấp vào nhờ một dường ống dẫn, có khoan các lỗ nhỏ dọc thân, đường kính lỗ khoảng 1mm. Những ưu điểm ca hệ thống này so với hệ thống cổ điển: tấm hấp thụ có góc nghiêng phù hợp giảm thiểu sự phản xạ và tăng diện tích tiếp xúc với các tia bức xạ, nước cấp cung đi vào hệ thống ít hơn, do vậy, lượng nước đạt nhiệt độ cao hơn, nhanh hơn. 6 Những thông số dùng để tính toán: Các thông số Ký hiệu Giá trị Khối lượng ca tấm hấp thụ M p (kg/m 2 ) 7.9 Nhiệt dung riêng ca tấm hấp thụ C p (j/kg.K) 477 Hệ số hấp thụ ca tấm hấp thụ  0.96 Hệ số bức xạ ca tấm hấp thụ p  0.08 Khối lượng ca kính M g (kg/m 2 ) 2.7 Nhiệt dung riêng ca tấm hấp thụ C g (j/kg.K) 800 Hệ số truyền qua  0.88 Hệ số bức xạ ca kính g  0.98 Khối lượng riêng ca nước w  (kg/m 3 ) 989 Nhiệt dung riêng ca nước C w (j/kg.K) 4184 Khối lượng ca không khí M a (kg/m 2 ) 0.24 Nhiệt ẩn hóa hơi ca nước h fg (j/kg) 2400.10 3 Tính cường độ bức xạ lên mặt phẳng nằm nghiêng I t (j/m 2 .h) I t = I.R b I: cường độ bức xạ lên mặt phẳng nằm ngang (j/m 2 .h). R b : hệ số chuyển đổi trực xạ 7 z b Cos Cos R     cossincossincossinsincos   sinsinsincoscoscossinsincos  Góc đỉnh, hợp bởi tia bức xạ và mặt phẳng nằm ngang:  sinsincoscoscoscos  z  : góc vĩ độ (90 0 ≤  ≤ 90 0 )  : góc lệch ở các ngày bất kỳ trong năm -23,45 0 ≤  ≤ 23,45 0 .  : góc nghiêng ca Collector 0 ≤  ≤ 90 0 .  : góc phương vị (-180 0 ≤  ≤ 180 0 )  : góc giờ  : góc tới ca tia bức xạ lên mặt phẳng nghiêng.  z : góc thiên đỉnh.         365 )284(360 sin45,23 n  n : số ngày hiện tính ca năm (ngày)  = (12 – t) 15 0 t : thời điểm lúc tính (giờ) {GÓC TÍNH TOÁN:} Góc tính toán dùng để xác đònh vò trí của mặt trời so với một mặt bất kỳ. Đối với quan sát viên trên mặt đất thì mặt trời di chuyển trong bầu trời theo một nửa đường tròn từ chân trời này đến chân trời kia. Nếu gọi P là vò trí của người đứng quan sát, O là tâm của quả đất và I b tia nắng (hình 1.6), ta có: 8 I b tia nắng PM pháp tuyến của mặt phẳng nghiêng PY hình chiếu của tia nắng lên mặt phẳng nằm ngang. Hình 1.6 : Góc tới và góc tầm. Góc tới thể hiện cho mặt bất kỳ. GÓC TỚI (cho mặt phẳng bất kỳ là góc giữa tia nắng với pháp tuyến của mặt phẳng đó. GÓC THIÊN ĐỈNH ( z ) là góc tới trong trường hợp mặt phẳng nằm ngang. Trong ví dụ trên nó chính là góc giữa I b và một đường thẳng vuông góc với mặt phẳng nằm ngang tại P. điều này được chỉ rõ trong hình 1.7 9 I b là tia mặt trời và PX là đường thẳng đứng với mặt phẳng nằm ngang. PY là hình chiếu của tia nắng lên mặt phẳng nằm ngang. Hình 1.7 : góc thiên đỉnh, góc tầm và phương vò GÓC TẦM () là góc giữa tia nắng và hình chiếu của nó lên trên mặt phẳng ngang.  = 90 -  z GÓC PHƯƠNG VỊ (  s ) là góc trên mặt phẳng nằm ngang đo từ hướng chính Nam đến hình chiếu của tia nắng lên mặt phẳng ngang đó. Khái niệm này được chỉ rõ trong hình 1.7. Nó còn được gọi là góc của mặt trời với hướng chính Nam đo theo phương ngang (cho các đòa phương ở Bắc bán cầu) và là góc của mặt trời với hướng chính Bắc đo theo phương ngang (cho các đòa phương ở Nam bán cầu). Nó còn được mô tả như là góc giữa đường kinh tuyến đòa phương với hình chiếu của tia mặt trời lên mặt phẳng nằm ngang. Do di chuyển của mặt trời là đối xứng qua buổi trưa, nên đònh hướng ưu tiên của các tấm hấp thụ bức xạ mặt trời (được thiết kế để nhận được tối đa sự bức xạ) sẽ được hướng về phía Nam (để thu nhận trong bán cầu Bắc). Nói cách khác, góc phương vò là zero. Đối với tất cả những góc phương vò khác, tia bức xạ tới tấm phẳng hấp thụ bức xạ sẽ ít hơn. Tuy nhiên với những góc phương vò nhỏ hơn 30 0 (Đông, Tây hoặc Nam), tia bức xạ giảm đi 5%. 10 ĐỘ NGHIÊNG β là góc giữa bề mặt đang xét với mặt phẳng nằm ngang (hình 1.8). I b - Tia mặt trời chiếu tới I b,h - Hình chiếu của tia mặt trời trên mặt phẳng ngang. Hình 1.8 : Góc nghiêng và góc phương vò của mặt phẳng nghiêng không chính Nam GÓC MẶT PHƯƠNG VỊ ( ) là góc đo trên mặt phẳng nằm ngang giữa hướng Nam và hình chiếu của pháp tuyến bề mặt lên mặt phẳng nằm ngang (hình 1.8). Nó còn được hiểu là góc giữa đường kinh tuyến đòa phương với hình chiếu lên mặt phẳng nằm ngang của pháp tuyến bề mặt. - Hệ số xun qua bầu khí quyển ca các tia trực xạ: z k b eaa   cos 10   Với a 0 = 0,95[0,4237 – 0,00821(6 – A) 2 ] a 1 = 0,98[0,5055 + 0,00595(6,5 – A) 2 ] k = 1,02[0,2711 + 0,01858(2,5 – A) 2 ] [...]... C ) UL = Ut + Ub + Ue (W/m2C) Hình 3: Sơ đồ thí nghiệm hệ thống chưng cất nước ngọt và sản xuất nước nóng 13 VI Kết quả thực nghiệm: Do trong quá trình làm mô hình thực nghiệm, tình hình thời tiết không ổn định và đo đạc nên tác giả chỉ lựa chọn những ngày có nhiệt độ trung bình ngày, cường độ bức xạ tương đối giống nhau để nghiên cứu và đưa ra kết luận * Đối với lượng nước cấp 3.6 (kg/h) - Ngày 13/10/2008... 0.263 37 15-16 0.208 30 16-17 0.115 29 VI Kết luận – kiến nghị: Theo kết quả thực nghiệm trên, ta có thể kết luận được rằng, hệ thống chưng cất nước ngọt và sản xuất nước nóng trên có hiệu suất tạo ra nước ngọt tương đương hoặc cao hơn (0.238 - 0.285 kg/h) so với hệ thống đơn giản mà ta thường sử dụng basin type (0.205-0.247 kg/h), đồng thời có thể tạo ra nước nóng với nhiệt độ trung bình khoảng 40.5-42.7... (0.205-0.247 kg/h), đồng thời có thể tạo ra nước nóng với nhiệt độ trung bình khoảng 40.5-42.7 0C (25-40 lít/ngày), tùy theo nhu cầu sử dụng nước ngọt hay nước nóng c a từng hộ gia đình Mô hình trên nếu có thể trang bị thêm một bơm để hệ thống hoạt động theo chế độ cưỡng bức thì hiệu suất sẽ cao hơn 17 Tài liệu tham khảo: 1 TS Hoàng Dương Hùng - Năng lượng mặt trời Lý thuyết và các ứng dụng- NXB Khoa... Ngày 15/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h: Lưu lượng nước cấp 3.6 Thời gian (h) (kg/h) mcond (kg/h) tw (0C) 8-9 0.157 31.2 9-10 0.214 33.8 10-11 0.347 39.7 11-12 0.400 43.0 12-13 0.415 44.0 13-14 0.392 41.0 14-15 0.317 39.9 15-16 0.158 38.1 16-17 0.141 33.1 * Đối với lượng nước cấp 5.4 (kg/h) - Ngày 20/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h: Lưu lượng nước cấp 5.4 Thời gian (h) (kg/h) mcond (kg/h) tw (0C)... 16-17 0.121 31.9 - Ngày 21/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h: Lưu lượng nước cấp 5.4 Thời gian (h) (kg/h) mcond (kg/h) tw (0C) 8-9 0.108 29.3 9-10 0.153 31.7 10-11 0.207 36.0 11-12 0.274 39.2 12-13 0.349 40.5 13-14 0.349 40.8 14-15 0.307 35.4 15-16 0.202 30.3 16-17 0.158 29.9 - Ngày 21/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h: Lưu lượng nước cấp 5.4 Thời gian (h) (kg/h) mcond (kg/h) tw (0C) 8-9 0.115 30.3 9-10... cấp 3.6 (kg/h) - Ngày 13/10/2008 , thời gian đo từ 8h – 17h: Lưu lượng nước cấp 3.6 Thời gian (h) (kg/h) mcond (kg/h) tw (0C) 8-9 0.172 32.3 9-10 0.226 35.7 10-11 0.293 38.0 11-12 0.337 40.1 12-13 0.356 45.5 13-14 0.341 44.2 14-15 0.303 41.1 15-16 0.204 35.7 16-17 0.155 30.9 - Ngày 14/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h: Lưu lượng nước cấp 3.6 Thời gian (h) (kg/h) mcond (kg/h) tw (0C) 8-9 0.151 30.2 9-10... trình cân bằng nhiệt tại tấm hấp thụ: M pC p dT p dt  I  hr , p  g (T p  Tg )  hc , p  w (T p  Tw ) Phương trình cân bằng năng lượng tại màng nước trên tấm hấp thụ:  wC w dTw,ex dt  Cw (minTw,in  mexTw,ex ) 1  Qc , pw  Qevap L Khối lượng nước thu được: mex  min  mevap L 11 Khối lượng hơi thu được: Qevap mevap  h fg Phương trình cân bằng nhiệt tại tấm kính: M g Cg M pC p dTg  Qr , p . tượng nghiên cứu ca đề tài. 4 IV. Mục đích, giới hạn nghiên cứu Đề tài Nghiên cứu chế tạo mô hình chưng cất nước ngọt kết hợp sản xuất nước nóng nhằm mục đích thiết kế và chế tạo mô hình. công nghiệp. III. Đối tượng nghiên cứu: Nhằm góp phần vào việc nghiên cứu chế tạo, hình thành ý tưởng về thiết bị chưng cất nước ngọt kết hợp sản xuất nước nóng phục vụ cho nhu cầu hàng. ca một số môn năng lượng mới, năng lượng mặt trời. Do đó, việc hình thành ý tưởng, nghiên cứu chế tạo thiết bị chưng cất nước ngọt và sản xuất nước nóng là nhu cầu cấp thiết. Nước cấp vào