TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Thông tin tài liệu

Mặt trời là một khối hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106km.Khối lượng Mặt trời khoảng M¬o= 2.1030 kg. nhiệt độ trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng 15600000K. Vật chất của mặt trời bao gồm khoảng 92,1 % là Hydro; 7,8% Heli và 0,1 % là các nguyên tố khác. Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ: Vùng nhân hay “lõi” Mặt trời: nằm ở trong cùng, có bán kính khoảng 150.103km, nhiệt độ trung tâm khoảng 14 đến 20 triệu độ. Ở nhiệt độ như vậy, vật chất không giữ được cấu trúc thông thường, nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch tạo nên nguồn năng lượng mặt trời. Đây là lò phản ứng hạt nhân: 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra một hạt nhận Heli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ γ.

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 MẶT TRỜI VÀ CẤU TẠO MẶT TRỜI Hình 1.1 Cấu tạo mặt trời Mặt trời là một khối hình cầu có đường kính 1,390.10 6km (lớn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.10 6km.Khối lượng Mặt trời khoảng M o= 2.1030 kg nhiệt độ trung tâm mặt trời thay đổi khoảng 15600000K Vật chất của mặt trời bao gồm khoảng 92,1 % là Hydro; 7,8% Heli và 0,1 % là các nguyên tố khác Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ: - Vùng nhân hay “lõi” Mặt trời: nằm ở cùng, có bán kính khoảng 150.10 3km, nhiệt độ trung tâm khoảng 14 đến 20 triệu độ Ở nhiệt độ vậy, vật chất không giư được cấu trúc thông thường, nó trở thành plasma đó các hạt nhân của nguyên tư chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự có va chạm với se xuất hiện vụ nổ nhiệt hạch tạo nên nguồn lượng mặt trời Đây là lò phản ứng hạt nhân: hạt nhân Hydro lại tạo một hạt nhận Heli, Neutrino và một lượng bức xạ 4H11 → He24 +2 Neutrino + (1.1) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 - Vùng trung gian: còn gọi là vùng “đổi ngược”, bán kính khoảng (150÷450).103 km, nhiệt độ (4,5÷10).106 K là nơi nguyên tố Hydro hấp thụ tia và phát bức xạ sóng dài Vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crom (Cr), kền (Ni), cacbon( C), silic (Si) và các khí Hydro (H2), heli (He) - Vùng đối lưu: bán kính khoảng (450 - 700).103 km, nhiệt độ khoảng 5800 4,5.106 K, gồm các dòng đối lưu lên xuống, chuyển nhiệt bức xạ xa bề mặt quang cầu - Vùng quang cầu: bán kính khoảng (700- 703) 103 km, nhiệt độ khoảng 57005800K, gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lưa có nhiệt độ từ 7000- 10000K Ngoài ra, Mặt trời còn có một lớp sắc cầu dày khoảng 3000km, tựa một đám cháy lớn Ngoài cùng là vùng nhật hoa, là một tầng mây bụi khí có biên giới không ổn định Hình 1.1.Hình ảnh về mặt trời 1.2 NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Về mặt bức xạ nhiệt, mặt trời được coi là một nguồn phát bức xạ hình cầu chứa nguyên tư Hydro, có đường kính D= 1,391.109 m, độ đen o= và nhiệt độ bề mặt To= 5762 K Năng lượng sinh phản ứng tổng hợp hạt nhân lòng mặt trời được chuyển bề mặt và bức xạ vào không gian dưới dạng sóng điện từ với λ = (0- ∞) Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng đó cực đại của cường độ bức xạ nằm dải 10-1 – 10 µm và hầu một nưa tổng lượng mặt trời tập trung khoảng bước sóng (0,38 0,78) µm đó là vùng nhìn thấy của phổ Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: q= D-T Co(To/100)4 (1.2) ở D-T là hệ số góc bức xạ giưa Trái đất và mặt trời D-T = 2/4 (1.3) là góc nhìn mặt trời và 32’ hình 1.2 Co = 5,67 W/m2.K4 - Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối Mặt trời Trái đất Hình 1.2 Góc nhìn mặt trời Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Vậy  2.3,14.32   ÷ 360.60   5762  q= 5, 67  ÷ = 1353 W / m   100  q gọi là hằng số mặt trời Do khoảng cách giưa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa năm nên cũng thay đổi đó q cũng thay đổi độ thay đổi này không lớn nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, nước và bụi khí quyển, chỉ một phần lượng được truyền trực tiếp tới bề mặt Trái đất Phần lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt Trái đất ngày quang đãng ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m Năng lượng bức xạ mặt trời truyền ngoài có thể coi là bức xạ của vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ Cường độ bức xạ toàn phần Eo=6,25.107 [W/m2] Công suất bức xạ toàn phần Qo=Eo.F=3,8.1026 [W] 1.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH BỨC XẠ MẶT TRỜI 1.3.1 Một số định nghĩa bản: Yếu tố bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trái đất là quãng đường của nó qua Sự mất mát lượng quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian ngày, mùa, vị trí địa lý Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một khái niệm sau : Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được không bị bầu khí quyển phát tán Đây là dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ) Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau hướng của nó đã bị thay đổi sự phát tán của bầu khí quyển Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu bề mặt) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Cường độ bức xạ: (W/m2): là cường độ lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx, cường độ bức xạ quang phổ Eqp Năng lượng bức xạ (J/m2): là lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt một khoảng thời gian, vậy lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ một khoảng thời gian nhất định Giờ mặt trời: là thời gian dựa chuyển động biều kiến của mặt trời bầu trời, với quy ước mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời qua thiên đỉnh người quan sát Giờ mặt trời là thời gian được sư dụng mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ Cường độ bức xạ mặt trời (BXMT) chiếu đến điểm M cách MT một khoảng Et Khi tia bức xạ Et đến khí quyển một phần nhỏ Et bị phản xạ, phần còn lại vào khí quyển bị hấp thụ và tán xạ, phần còn lại sau cùng được truyền tới mặt đất gọi là tia trực xạ 1.3.2 Bức xạ mặt trời truyền qua kính Độ hấp thụ, truyền qua và phản xạ của vật liệu là hàm số của bức xạ truyền tới, độ dày và chỉ số khúc xạ của lớp vật liệu đó Hầu hết các bộ thu NLMT đề sư dụng kính làm vật liệu che phủ bề mặt bộ thu vì tính chất quang học ưu việt của nó Hiệu ứng lồng kính: Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích luỹ lượng bức xạ của Mặt trời phía dưới một tấm kính hoặc một lớp kính nào đó Có thể giải thích sau: Tấm kính hoặc lớp khí có độ đơn sắc D λ giảm dần bước sóng tăng Còn bước sóng λm Eλ cực đại là bước sóng mang nhiều lượng nhất, thì lại giảm theo định luật Wien λ= 2,9.10-3/T BXMT phát từ nhiệt độ cao, có lượng tập trung quanh sóng λmo= 0,5µm se xuyên qua kính hoàn toàn Bức xạ thứ cấp, phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T ≤ 400K, có lương tập trung quanh sóng λm= 8µm hầu không xuyên qua kính và bị phản xạ lại mặt thu Hiệu số lượng (vào-ra) > 0, được tích luỹ phía dưới lớp kính làm nhiệt độ tại đó tăng lên Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 1.3.3.Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam Việt Nam nằm trải dài từ vĩ độ độ Bắc đến 23 độ Bắc, nằm khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Nhất là các tỉnh nằm ở khu vực miền Trung có số giờ nắng cũng cường độ bức xạ cao là một điều kiện tuyệt vời để sư dụng lượng mặt trời (NLMT) vào sinh hoạt và sản xuất Theo kết quả của trạm Khí tượng thuỷ văn Trung Ương với mã số 52C-01-01a thì ta có bảng số liệu: Bảng 1.1 Cường độ bức xạ trung bình ngày trung bình năm Vùng lãnh thổ Cường độ xạ Tên địa phương trung bình (kWh/ngày) (kWh/năm) 3,91 1.427 4,44 1.549 4,80 1.799 5,61 2.084 4,59 1.675 Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng sông Hồng đến Vinh -Nghệ An Vùng núi Tây Bắc, Thanh Hóa, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị Thừa Thiên Huế, ven biển Đà Nẵng đến Phú Yên, Kon Tum, Gia Lai, miền Đông Nam Bộ, TP Hồ Chí Minh, Đồng bằng sông Cưu Long Đắc Lắc, Lâm Đồng, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận, Bà Rịa Trung bình cả nước Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Cường độ bức xạ mặt trời mặt đất chủ yếu phụ thuộc yếu tố: góc nghiêng của tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường của các tia sáng khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt trời Quan hệ giưa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian năm có thể xác định theo phương trình sau: ng E = E (1+0,033 cos 360n 365 ), W/m (1-2) ng Với E : là bức xạ ngoài khí quyển được đo mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n năm 1.4 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.4.1 Ưu điểm Năng lượng mặt trời là một dạng lượng không thể thay thế được phương diện là một nguồn lượng của phản ứng quang hợp - một quá trình bản của tự nhiên điều chế các chất hưu Năng lượng mặt trời bảo đảm lượng cho loài người, hoàn toàn có thể thỏa mãn các nhu cầu lương tương lai Năng lượng mặt trời là nguồn lượng vô tận của thiên nhiên, hàng năm mặt trời cung cấp cho trái đất một lượng nhiệt khổng lồ Ngoài ra, nó là một dạng lượng siêu sạch, việc sư dụng nó không ảnh hưởng đến môi trường xung quanh 1.4.2 Nhược điểm Năng lượng mặt trời là dạng lượng có nhiều ưu điểm việc sư dụng nó chưa được sư dụng phổ biến rộng rãi Đó là bức xạ mặt trời có các đặc điểm riêng gây khó khăn cho việc tiếp nhận và chuyển đổi nó như: - Bức xạ mặt trời khá tản mạn, có mật độ (công suất riêng) nhỏ, thay đổi theo thời gian (ngày,đêm,các mùa…) - Hiệu suất biến đổi lượng của các tia sáng mặt trời thành năng, điện bị giới hạn bởi các nguyên lý của vật lý học và nhiệt động học - Nó còn phụ thuộc vào vị trí địa lý Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 1.5 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.5.1 Thiết bị đun nước nóng NLMT Các thiết bị đun nước bằng NLMT là loại hình được sư dụng rộng rãi thế giới Các thiết bị đun nước bằng NLMT đã được lắp đặt cho triệu gia đình tại Nhật Bản, 600.000 gia đình tại Israel và 300.000 gia đình tại Mỹ Loại thông thường nhất của thiết bị nhiệt mặt trời là collector phẳng và bể đựng nước dung tích khoảng 200 lít Ngoài việc sư dụng nước nóng cho mục đích sinh hoạt thông thường, hệ thống đun nước nóng phục vụ cho các bể bơi cũng phát triển phổ biến Tại các nước phát triển, nguyên liệu để chế tạo không sẵn, vì vậy giá thành thiết bị còn đắt Vì vậy, để phát triển rộng rãi lĩnh vực này cần tập trung nghiên cứu công nghệ NLMT vào vật liệu tiến bộ và chế tạo bộ thu cho đơn giản, rẻ Hình 1.2: Thiết bị nước nóng dùng lượng mặt trời 1.5.2 Thiết bị sấy NLMT Một ứng dụng rất phổ biến của NLMT là lĩnh vực sấy, chủ yếu nông nghiệp để sấy ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ lệ hao hụt, tăng chất lượng sản phẩm Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Với công nghệ sấy bằng NLMT, chủ yếu có loại sau: + Các máy sấy không khí tự nhiên ngoài trời: Loại này kết cấu đơn giản, sản phẩm sấy được đặt một cái khay, giá hoặc sàn được sấy khô bằng ánh nắng mặt trời và gió + Các máy sấy mặt trời trực tiếp: Loại này sản phẩm sấy đặt ở khung kính trắng hoặc dẻo, mặt trời làm nóng sản phẩm được sấy khô và khung tạo nhiệt cao nhờ hiệu ứng nhà kính + Các máy sấy mặt trời gián tiếp: Các máy này mặt trời không tác động trực tiếp lên sản phẩm sấy, vì vậy loại này dùng cho sản phẩm tránh lượng vitamin bị phân huỷ bởi ánh nắng mặt trời Không khí được làm nóng bộ tấm thu nhiệt mặt trời, sau đó đươc dẫn qua buồng sấy + Các máy sấy hỗn hợp: Máy sấy này là sự phối hợp của tia bức xạ mặt trời sản phẩm sấy và không khí được hâm nóng trước một tấm thu nhiệt mặt trời cung cấp nhiệt cần thiết cho sấy + Các hệ thống sấy ghép: Loại sấy mặt trời này đó còn có nguồn sấy khác biogas hay điện phụ thêm làm nóng không khí thời gian mặt trời bị mây che phủ Hình 1.3: Hệ thống sấy cacao lượng mặt trời 1.5.3 Pin mặt trời Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Các tế bào quang điện đã phát triển 100 năm nhằm trực tiếp chuyển ánh sáng mặt trời thành điện bằng cách chuyển các photon ánh sáng sang điện Về lý thuyết, tế bào quang điện thể hiện tiềm lớn cho các nước phát triển để giải quyết điện khí hoá vùng sâu, vùng xa, nơi chưa có điện lưới Tế bào quang điện chủ yếu sư dụng các bộ thu phẳng hay tập trung Sư dụng bộ thu phẳng thuận tiện cho việc bố trí, ví dụ mái nhà, vách kính của các toà nhà cao tầng Hình 1.4: Đèn đường lượng mặt trời Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Việt Nam nằm ở vĩ độ Bắc đến 23 Bắc, là nơi có tiềm về NLMT Tuy nhiên phân bố NLMT ở nước ta không đồng đều, các tỉnh phía Nam và Tây Nguyên có số giờ nắng cao và cường độ bức xạ gần ổn định quanh năm, đó miền Bắc có hai mùa rõ rệt và bức xạ mặt trời dao động mạnh ảnh hưởng thời tiết Ngay từ thập kỷ 70, sau cuộc khủng hoảng lượng của thế giới và nguy của vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là hiệu ứng ấm lên toàn cầu, Nhà Nước ta đã bắt đầu triển khai chương trình nghiên cứu lượng mới ở cấp quốc gia mang mã số 52C với sự tham gia của Uỷ ban khoa học và Kỹ thuật Nhà Nước, Viện Khoa học Việt Nam và các trường Đại học thuộc Bộ Đại học và Trung học chuyên nghiệp cũng một số Viện nghiên cứu khác Tại Viện Khoa học Việt Nam và Viện Năng lượng thuộc Bộ Điện –Than, một số mẫu bộ thu NLMT để đun nước nóng đã được chế tạo Tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm lượng mới tập trung nghiên cứu các thiết bị đun nước nóng và sấy bằng NLMT, đã lắp đặt và đưa vào sư dụng hàng trăm bộ thu đun nước nóng cho bệnh viện, nhà trẻ… Tại Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh cũng đã tập trung nghiên cứu ứng dụng vào kỹ thuật đun nước nóng dùng NLMT, bơm nước dùng NLMT, bếp nấu dùng NLMT, dùng NLMT chạy máy lạnh hấp thụ sản xuất nước đá… Hiện nay, Việt Nam đã gia nhập Tiểu bang lượng phi truyền thống của Hiệp hội các nước Đông Nam Á và Nhà Nước tăng cường đầu tư nghiên cứu Các trung tâm lượng mới thuộc Phân viện Vật Lý TP.HCM, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại học Bách Khoa Hà Nội với sự hổ trợ của các tổ chức quốc tế đã tiến hành thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có hiệu suất khác phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu xa không có điện lưới Đặc biệt thời gian gần đây, Nhà nước ta đã phát động chương trình toàn dân tiết kiệm lượng bằng việc hổ trợ cho các hộ gia đình một phần kinh phí mua bình nước nóng dùng và chảo thu NLMT Nói chung, việc nghiên cứu ứng dụng NLMT tại Việt Nam cho đến còn hạn chế giá thành cao và không tiện dụng,mặc dù nước ta nằm khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, số giờ nắng trung bình hằng năm cao và rất thiếu nguồn lượng Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Hầu hết các mẫu thiết kế mới chỉ dừng ở quy mô thí nghiệm mà chưa triển khai rộng rãi ở quy mô công nghiệp CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2.1.1 Nhu cầu cấp thiết của đề tài Nước ngọt hay nước nhạt là loại nước chứa một lượng tối thiểu các muối hòa tan, đặc biệt là clorua natri (thường có nồng độ các loại muối hay còn gọi là độ mặn khoảng 0,01 - 0,5 ppt hoặc tới ppt), vì thế nó được phân biệt tương đối rõ ràng với nước lợ hay các loại nước mặn và nước muối Tất cả các nguồn nước ngọt có xuất phát điểm là từ các mưa được tạo sự ngưng tụ tới hạn của nước không khí, rơi xuống ao, hồ, sông của mặt đất cũng các nguồn nước ngầm hoặc sự tan chảy của băng hay tuyết Nước ngọt là nguồn tài nguyên tái tạo, vậy mà việc cung cấp nước ngọt và sạch thế giới từng bước giảm Nhu cầu nước đã vượt cung ở một vài nơi thế giới, dân số thế giới tiếp tục tăng làm cho nhu cầu nước càng tăng Sự nhận thức về tầm quan trọng của việc bảo vệ nguồn nước cho nhu cầu hệ sinh thái chỉ mới được lên tiếng gần Trong suốt thế kỷ 20, một nưa các vùng đất ngập nước thế giới đã bị biến mất cùng với các môi trường hỗ trợ có giá trị của chúng Các hệ sinh thái nước ngọt mang đậm tính đa dạng sinh học hiện suy giảm nhanh các hệ sinh thái biển và đất liền Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Nước biển là nước từ các biển hay đại dương Về trung bình, nước biển của các đại dương thế giới có độ mặn khoảng 3,5% Điều này có nghĩa là cứ mỗi lít nước biển chứa khoảng 35 gam muối, phần lớn là clorua natri (NaCl) hòa tan đó dưới dạng các ion Na+ và Cl, ngoài còn các khoáng chất khác Hiện các tàu cá khai thác xa bờ Việt Nam đều phải mang theo nước ngọt từ đất liền nên rất tốn kém, bị động và thời gian biển bị rút ngắn; các vùng dân cư ngoài hải đảo xa cũng thường xuyên bị khan hiếm nước ngọt; các vùng nuôi thủy sản rất cần cân bằng độ mặn nhằm tối ưu sự phát triển của tôm, cá Do vậy, biến nước mặn thành nước ngọt là nhu cầu rất lớn của bà vùng biển nước ta Mục đích việc chế tạo thiết bị là phục vụ cho nhu cầu sư dụng của ngư dân đánh bắt xa bờ dài ngày Do vậy, thiết bị được chế tạo phải đảm bảo tính kinh tế, tiết kiệm lượng có sẵn tàu và đạt hiệu quả cao Với khí hậu nhiệt đới nắng nóng của Việt Nam, lượng mặt trời se là nguồn lượng miễn phí và đóng vai trò chủ chốt cung cấp nhiệt cho thiết bị Bên cạnh đó, nguồn lượng từ nước giải nhiệt động tàu cũng là một nguồn lượng quan trọng góp phần nâng cao hiệu suất cho thiết bị Thông thường thì nước giải nhiệt động Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 tàu se bị thải ngoài, bây giờ lại được tận dụng để cung cấp nhiệt cho thiết bị cũng là một giải pháp để tiết kiệm lượng vận hành máy Khi chế tạo thiết bị, một yêu cầu được đặt nưa là phải có tính khí hóa, tự động hóa cao, đồng thời phải dễ chế tạo, sưa chưa và đảm bảo an toàn vận hành Từ yêu cầu đó, thiết bị được chế tạo se được vận hành tự động hoặc bằng tay, tháo lắp dễ dàng 2.1.2 Tính chọn đề tài Chọn công suất của tàu đánh cá là 200 CV ứng với 7thuyền viên tàu Nên lượng nước cần chưng cất được khoảng 14 lít/ngày Số giờ nắng ngày là giờ ( từ 8h đến 16h ) Đia điểm thực hiện đề tài là Quảng Nam – Đà Nẵng 2.2 THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC NGỌT BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.2.1 Nguyên lý chung Trên trái đất của chúng ta, nơi có nhiều nắng thì thường ở nơi đó nước uống bị khan hiếm Bởi vậy lượng mặt trời đã được sư dụng từ rất lâu để thu nước uống bằng phương pháp chưng cất từ nguồn nước bẩn hoặc nhiểm mặn Có rất nhiều thiết bị khác đã được nghiên cứu và sư dụng cho mục đích này, một hệ thống chưng cất nước dùng lượng mặt trời đơn giản được mô tả hình Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Nước ngưng tụ tấm phu Máng chứa nước ngưng Nước vào Khay chứa nước được sơn đen làm bề mặt hấp thụ Hình Thiết bị chưng cất đơn giản Nước bẩn hoặc nước mặn được đưa vào khay ở dưới và được đun nóng bởi sự hấp thụ lượng mặt trời Phần đáy của khay được sơn đen để tăng quá trình hấp thu bức xạ mặt trời, nước có thể xem suốt việc truyền bức xạ sóng ngắn từ mặt trời Bề mặt hấp thụ nhận nhiệt bức xạ mặt trời và truyền nhiệt cho nước Khi nhiệt độ tăng, sự chuyển động của các phân tư nước trở nên rất mạnh và chúng có thể tách khỏi bề mặt mặt thoáng và số lượng tăng dần Đối lưu của không khí phía bề mặt mang theo nước và ta có quá trình bay Sự bốc lên của dòng không khí chứa đầy ẩm, sự làm mát của bề mặt tấm phủ bởi không khí đối lưu bên ngoài làm cho các phần tư nước ngưng tụ lại và chảy xuống máng chứa ở góc dưới Không khí lạnh chuyển động xuống dưới tạo thành dòng khí đối lưu Để đạt hiệu quả ngưng tụ cao thì nước phải được ngưng tụ bên dưới tấm phủ Tấm phủ có độ dốc đủ lớn để cho các giọt nước chảy xuống dễ dàng Điều đó cho thấy rằng ở mọi thời điểm khoảng phần nưa bề mặt tấm phủ chứa đầy các giọt nước Quá trình ngưng tụ của nước dưới tấm phủ có thể là quá trình ngưng giọt hay ngưng màng, điều này phụ thuộc vào quan hệ giưa sức căng bề mặt của nước và tấm phủ Hiện người ta thường dùng tấm phủ là kính thuận lợi cho quá trình ngưng giọt Người ta thấy rằng ở vùng khí hậu nhiệt đới, hệ thống chưng cất nước có thể sản xuất một lượng nước ngưng tương Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 đương với lượng mưa 0,5cm/ngày 2.2.2 Cấu tạo của thu Máng trụ trái lớp kính Ống háp thụ bên chứa chất lỏng Máng trụ phải cánh nhận nhiệt bức xa 01 (r+w)2 02 r+w N Hình 2.2 Cấu tạo module bộ thu Module bộ thu có cấu tạo hình , gồm một ống hấp thụ sơn màu đen có chất lỏng chuyển động bên trong, bên và mặt dưới ống có hàn cánh nhận nhiệt, bên ngoài là hai ống thủy tinh lồng vào nhau, giưa hai ống thủy tinh là lớp không khí hoặc được hút chân không Tất cả hệ ống hấp thụ và ống thủy tinh được đặt giưa hai máng parabol trụ trái và trụ phải Biên dạng của máng trụ được dựng bởi cung tròn tâm ở hai đầu mút cánh trái và phải, bán kính các cung tròn là (r + W) với r là bán kính ống hấp thụ còn W là chiều rộng của cánh, tức là các cung tròn này qua đầu mút của cánh dưới 2.2.3 Các thông số của thu và sở tính toán λ n d2, D2, k2, k2  E  E  to       d, , m, Cp GCp N d, o, o, Co t  to d1, D1, k1, k1 kk, kk  L  to dd, d, d Wc, c, c,Cc Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Bộ thu gồm một ống đồng ở giưa có đường kính d dày , khối lượng riêng , nhiệt dung riêng , hai bên ống có hàn thêm cánh đồng phẳng có chiều dày , chiều rộng cánh là , hệ số dẫn nhiệt và hiệu suất cánh , làm nhiệm vụ hấp thụ lượng mặt trời với hệ ống – cánh được sơn phủ một lớp sơn đen và có độ đen , bên ống chứa chất lỏng có khối lượng tĩnh m, lưu lượng G (kg/s), nhiệt dung riêng chảy liên tục qua bộ thu Xung quanh ống được bọc ống thủy tinh có đường kính và dày , có hệ số dẫn nhiệt , hệ số bức xạ, hệ số truyền qua lần lượt là , , làm nhiệm vụ lồng kính và cách nhiệt Giưa các ống thủy tinh và ống đồng là các lớp không khí có hệ số dẫn nhiệt là , hai đầu được đệm kính bằng hai nút cao su dày có đường kính và hệ số dẫn nhiệt ệ số tỏa nhiệt từ ống thủy tinh ngoài đến không khí có nhiệt độ to là Phía dưới hệ ống có mặt phản xạ dạng parabol trụ với hệ số phản xạ R với diện tích thu nắng = N.L Bộ thu được đặt cho mặt phản xạ của parabol hướng về phía mặt trời 2.2.4 Tính chọn kích thước thu Các kích thước module bộ thu cần phải chọn hoặc tính toán cho bộ thu đạt được hiệu quả cao nhất về mặt kinh tế cũng khả hấp thụ nhiệt từ lượng mặt trời, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về mặt cấp nhiệt Các kích thước của module bộ thu có ảnh hưởng đến hiệu suất bộ thu cần phải tính chọn là : • Đường kính ống hấp thụ chứa môi chất d • Chiều rộng cánh nhận nhiệt W • Đường kính ống thủy tinh d1 • Đường kính ống thủy tinh ngoài d2 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 • Chiều rộng gương trụ phản xạ N 2.2.4.1 Đường kính ống hấp thụ d Nếu d lớn thì diện tích hấp thụ lớn, diện tích nhận nhiệt của nước lớn nên làm tăng hiệu suất của bộ thu Mặt khác nếu d tăng thì nhiệt dung C của hệ bộ thu tăng đó tốc độ gia nhiệt a giảm, nưa nếu d lớn quá thì kết cấu bộ thu se cồng kềnh và không kinh tế Tốt nhất ta chọn đường kính của ống hấp thụ d = 10 mm 2.2.4.2 Chiều rộng cánh nhận nhiệt W Khi tăng chiều rộng cánh W thì FD , mà FD tăng thì tốc độ gia nhiệt a tăng và hiệu suất bộ thu tăng Nhưng nếu W tăng, hiệu suất cánh giảm đó FD giảm Vậy ta phải chọn W cho tối ưu nhất Theo tính toán với trường hợp này thì tốt nhất ta chọn W cho W < 0,5 Lúc đó hiệu suất cánh Cánh làm bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt λ = 25W/m.độ, chiều dày cánh = 0,001m, cánh được gắn ống đồng đường kính d = 0,01m Với trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên ta lấy = 10W/m2độ ta có biểu thức tính chọn chiều rộng cánh là : = W < 0,5 Vậy ta có W < 0,025 m Chọn W = 0,02 m 2.2.4.3 Đường kính ống thủy tinh d1 Ống thủy tính làm nhiệm vụ tạo “ lồng kính ” Thường ta chế tạo cho hệ ống cánh hấp thụ – cánh đặt khít vào ống thủy tinh có đường kính d1 tức là d1= d + 2W Vậy đường kính d1 phụ thuộc vào d và W, đó theo phân tích và nhận xét ở nếu đường kính ống hấp thụ d = 0,01m thì tốt nhất d1< 0,06 Ta chọn d1 = 0,05m 2.2.4.4 Đường kính ống thủy tinh d2 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 Ống thủy tinh ngoài làm nhiệm vụ cách nhiệt chống tổn thất môi trường xung quanh Theo nguyên tắc thì d2 càng lớn thì tổn thất nhiệt càng ít, thực tế với loại bộ thu kiểu ống này nếu d2 tăng thì ta thấy FD giảm nhất là với bộ thu đặt nghiêng Do đó tốc độ gia nhiệt a giảm và hiệu suất bộ thu giảm, vậy ta chọn d2 càng nhỏ càng tốt ( tất nhiên phải lớn d1 ), nhất là với bộ thu được hút chân không giưa ống thủy tinh Ta chọn d2 = 0,08m 2.2.4.5 Chiều rộng gương phản xạ Khi N càng tăng thì FD tăng, mà FD tăng thì tốc độ gia nhiệt a tăng và hiệu suất bộ thu tăng và nhiệt độ môi chất thu được cũng tăng Đối với bộ thu loại đặt nghiêng hệ thống đối lưu tuần hoàn tự nhiên thì bị hạn chế bởi chiều rộng của tổ hợp ống – cánh Ta có N (d+2W)(1+ ) Tính chọn N = (0,01+2.0,02).( 1+ ) = 0,12 m 2.2.4.6 Chiều dài gương phản xạ Chọn chiều dài gương phản xạ L = 1,1m 2.2.5 Phương trình vi phân cân bằng nhiệt của thu Giả thiết rằng tại mỗi thời điểm , xem nhiệt độ chất lỏng và ống hấp thụ đồng nhất và bằng t() Xét cân bằng nhiệt cho hệ bộ thu khoảng thời gian d kể từ thời điểm Mặt module bộ thu hấp thụ từ mặt trời lượng nhiệt bằng : = , (J) Hay = FD.( ) (J) FD = D1.D2.F1 + D1.D2.F2 + R.D1.D23.F3 + R D1.D2.F4 Với = L.D , F2= 2L.Wc , F3= L(d2-d1) , F4= L(N-d2) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 F1 = L.d = 1,1.0,01= 0,011 m2 F2 = 2L.Wc = 2.1,1.0,02= 0,044 m2 F3 = L(d2-d1) = 1,1.(0,08-0,05)= 0,033 m2 F4 = L(N-d2)= 1,1.(0,12-0,08)= 0,044 m2 Thay D1 = 0,9 ; D2 = 0,9 ; =0,95 ; R=0,9 Ta được : FD= (0,9.0,9.0,011) + (0,95.0,9.0,9.0,044) + (0,9.0,95.0,9.0,93.0,033) + (0,9.0,95.0,9.0,9.0,044) = 0,092 m2 En : Cường độ bức xạ cực đại ngày, lấy bằng trị trung bình năm tại vĩ độ xét Do mặt phẳng quỹ đạo tại Đà Nẵng và Quảng Nam nghiêng góc 200 so với mặt phẳng đứng nên tính toán cho góc tới 700 Cường độ bức xạ trung bình lúc giưa trưa (11-12h) ở Quảng Nam là En = 940W/m2 : Tốc độ góc của Trái đất = 24.3600s : Chu kì tự quay của Trái đất Suy = 2/(24.3600s) rad/s Thay các giá trị En = 940W/m2; FD= 0,092m2; = 2/(24.3600s) rad/s; =16.3600s, 3600s Ta được Q1= 657341,67 (J) Lượng nhiệt nhận được của module bộ thu dùng để : - Làm tăng nội của ống hấp thụ cánh dU = (mo.Co+mc.Cc)dt Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 - Làm tăng entapy lượng nước tĩnh dIm = m.Cpdt - Làm tăng entapy dòng chất lỏng dIG = Gd.Cp(t-to) - Truyền nhiệt ngoài không khí = Ktt.L(t-to)d Với mo = L = 1,1.0,01.0,001.7850 = 0,27 (kg) mc = 3LWc = 3.1,1.0,02.0,0008.7850 = 0,42 (kg) m = d2.L = 0,012.1,1.999 = 0,086 (kg) Ktt = [KL + + nKd.Fd] , (W/mK) n là số nút đệm 1m chiều dài bộ thu , (m)-1 Kd = , (W/m2K) Hệ số dẫn nhiệt đối lưu và dẫn nhiệt KL KL = , (W/mK) Hệ số truyền nhiệt bằng bức xạ = )( , (W/mk) Với , W/mK4 Ttb = 273 + ttb : Nhiệt độ trung bình tính toán của môi chất bộ thu , (K) Vậy ta có phương trình cân bằng nhiệt cho bộ thu : = dU + dIm + dIG + Hay En.FD.sin2 = ( mo.Co + m.Cp + mc.Cc )dt + (GCp + Ktt.L)(t-to)d Thay T( = t() – to và đặt a = = , (K/s) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 b = = , (l/s) Suy phương trình cân bằng nhiệt cho bộ thu là : T’(+ b.T) = a.sin2() Với điều kiện đầu T(0) = Giải phương trình ta tìm được hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng bộ thu là T( = sin(2] Công suất nhiệt cần thiết cấp cho bộ thu : Q = = = 1.094 kW Với G = 14 lít/ngày : lượng nước sạch yêu cầu r = 2250 kJ/kg.K : Nhiệt ẩn hóa của nước ở nhiệt độ bay trung bình của thiết bị t = 600C t = giờ : Thời gian làm việc một ngày của bộ thu 2.2.6 Tính toán quá trình đối lưu thu Chúng ta giả thiết rằng nước tiếp xúc với bề mặt hấp thụ và chúng cùng chung nhiệt độ là T, nhiệt độ của tấm phủ là T1, thì ta có dòng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích giưa bề mặt được xác định theo công thức : q = k(T-T1) Trong đó k là hệ số truyền nhiệt ( W/m2K) Biểu diễn quá trình đối lưu này tạo bởi dòng không khí , mỗi dòng có lưu lượng khối lượng tương đương là m (kg/m2h) , một dòng thì chuyển động lên còn một dòng thì Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 chuyển động xuống dưới Nội của mỗi đơn vị khối lượng không khí có nhiệt độ T là cT, nếu xem đặc tính của không khí ở là khí lý tưởng thì c là nhiệt dung riêng của không khí Dòng khí nóng rời khỏi bề mặt phía dưới mang nội ở mức mcT, còn dòng khí lạnh mang nội ở mức mcT1 Như vậy dòng nhiệt trao đổi giưa các bề mặt bởi dòng này là : q = mc(T-T1) Suy mc = k hay m = k/c Bây giờ chúng ta giả sư rằng dòng không khí đối lưu chuyển động tương tự và cùng tốc độ chúng chứa đầy ẩm Sự giả thiết này rất phổ biến phân tích quá trình truyền chất chỉ đúng quá trình truyền chất xảy với tốc độ nhỏ Hơn nưa chúng ta có thể cho rằng không khí rời khỏi mỗi bề mặt mang tổng lượng nước phù hợp để cân bằng với nhiệt độ tương ứng của bề mặt, ở trạng thái cân bằng thì một đơn vị thời gian có phân tư nước rời khỏi bề mặt mặt thoáng thì cũng có bấy nhiêu phân tư nước quay trở lại Sau đó sự tập trung của các phân tư lỏng hay nước không khí gần bề mặt mặt thoáng cũng đạt đến giá trị cân bằng và gọi là độ ẩm tương đối , w Độ ẩm tương đối là khối lượng của nước 1kg không khí, w phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ 1.0 0.8 Độ ẩm tương đương, w 0.6 0.4 0.2 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 310 320 330 340 350 360 Nhiệt độ , K Hình Độ ẩm tương đối của không khí ở áp suất khí quyển Tiếp theo, nếu miêu tả quá trình đổi lưu bởi sự chuyển động đồng thời của dòng không khí, mỗi một dòng có lưu lượng m một đơn vị diện tích, lượng nước vận chuyển ngoài se là mw và lượng nước vào là mw1 Vậy lượng nước m(w-w1), cũng chính là lượng nước được sản xuất bởi thiết bị lọc nước một đơn vị diện tích bề mặt, M Tương tự quá trình trao đổi nhiệt giưa tấm phẳng ta có thể viết phương trình cân bằng lượng bộ thu P = k(T-T1) + ) + mr(w-w1) Trong đó : P (W/m2) là lượng bức xạ mặt trời đến là độ đen của tổ hợp bề mặt hấp thụ và nước r (Wh/kg) là nhiệt hóa của nước Với r = 660 Wh/kg , = và độ chênh nhiệt độ trung bình của thiết bị khoảng 40K thì ta có thể xác định được lượng nước sản xuất được của bộ thu có thể xác định theo công thức : M = ( P-160 )/660 ( kg/m2h) Ở Đà Nẵng với cường độ bức xạ trung bình P = 850 W/m2 thì từ công thức ta tính được M = 1.0 kg/m2.h hay với giờ nắng ngày thì mỗi ngày 1m2 bề mặt hấp thụ thiết bị sản xuất được M = 6kg nước Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng năm 2010 ... Giờ mặt trời: là thời gian dựa chuyển động biều kiến của mặt trời bầu trời, với quy ước mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời qua thiên đỉnh người quan sát Giờ mặt. .. tới bề mặt Trái đất Phần lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt Trái đất ngày quang đãng ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m Năng lượng bức xạ mặt trời truyền... xạ quang phổ Eqp Năng lượng bức xạ (J/m2): là lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt một khoảng thời gian, vậy lượng bức xạ là một đại lượng

Ngày đăng: 06/05/2017, 11:55

Xem thêm: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI