Ket-noi.com dien dan giao duc
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ MÔ HÌNH NẤU NƯỚC NÓNG
BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VỚI
BỘ PHẬN TẬP TRUNG THU NHIỆT
HÌNH MÁNG
Sinh viên thực hiện
TRẦN HUY HÙNG
MSSV: 1080818
Kỹ Thuật Môi Trường _K34
Cán bộ hướng dẫn
ThS. LÊ HOÀNG VIỆT
THÁNG 5/2012
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
LỜI CÁM ƠN
Suốt 4 năm dài học Đại học và cuối cùng là thời gian làm đề tài luận văn tốt
nghiệp có nhiều khó khăn và trở ngại nhưng được sự chỉ dẫn và đóng góp ý kiến
hết sức tận tâm của thầy cô cùng với bạn bè Khoa Môi Trường và Tài Nguyên
Thiên Nhiên đã giúp tôi có thể hoàn thành tốt đề tài luận văn này. Nhân đây tôi
xin chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc và vô cùng biết ơn đến những người đã
giúp đỡ tôi thực hiện thành công đề tài này.
Trước hết là lòng biết ơn sâu sắc đối với cha mẹ và người thân, đã yêu
thương, lo lắng, động viên cho chúng tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập.
Thầy Lê Hoàng Việt Giảng viên bộ môn Kỹ thuật Môi Trường, Khoa Môi
Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên; đã tận tâm hướng dẫn giúp tôi hiểu rõ vấn đề,
truyền đạt những kinh nghiệm quý báu, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để
chúng tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.
Thầy Huỳnh Long Toản_Phòng Thực tập Xử lí Nước Thải và Cô Nguyễn
Thị Thu Vân_ Phòng thực tập sinh kỹ thuật môi trường, Thầy Nguyễn Trường
Thành _ Phòng Thực tập Xử lí Chất Thải Rắn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên
Thiên Nhiên đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá
trình phân tích và làm thí nghiệm.
Cuối cùng, Xin cảm ơn các bạn lớp Kỹ Thuật Môi Trường _ K34, Khoa
Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên đã động viên hỗ trợ về vật chất lẫn tinh
thần giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi chân thành cảm ơn!
Trần Huy Hùng
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
iii
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Hiện nay, nhu cầu sử dụng nước sạch trong đời sống hằng ngày của người dân là
một vấn đề mang tính cấp thiết. Tuy nhiên, ở các tỉnh trong khu vực Đồng Bằng
Sông Cửu Long người dân nông thôn vẫn phải sử dụng nguồn nước lấy từ các ao
hồ, kênh rạch để sử dụng trong đời sống sinh hoạt hằng ngày làm cho tỷ lệ mắc
bệnh do sử dụng nguồn nước không an toàn ngày một tang cao. Chính vì thế, để
khắc phục vấn đề này thì người dân phải có những biện pháp xử lý và khử trùng
nguồn nước trước khi đua vào sử dụng. Vào mùa nắng nguồn bức xạ mặt trời ở
khu vực miền Nam tương đối cao và người dân có thể tận dụng nguồn năng lượng
này vào các việc như nấu ăn hoặc nấu nước uống để khử trùng nguồn nước sinh
hoạt. Vì vậy đề tài “ Thiết kế mô hình nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời
với bộ phận tập trung thu nhiệt hình máng” được thực hiện nhằm giúp cho người
dân giảm thói quen sử dụng rơm, than củi để đun nấu vừa ảnh hưởng tới sức khỏe
vừa ảnh hưởng tới môi trường xung quanh.
Mục tiêu của đề tài là thiết kế, chế tạo và đánh giá khả năng hoạt động cũng như
công suất của mô hình nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời với bộ phận tập
trung thu nhiệt hình máng với mục đích dùng nhiệt độ khi đun nước để khử trùng
nguồn nước mặt đã được xử lý qua các quá trình lắng và lọc đơn giản phục vụ nhu
cầu nước uống cho người dân đặc biệt là người dân vùng nông thôn khi nguồn
nước sử dụng trong sinh hoạt hằng ngày của các hộ dân chủ yếu là nguồn nước
mặt đã qua quá trình lắng, tuy nhiên nồng độ vi sinh trong nước vẫn còn khá cao.
Mô hình sau khi chế tạo phải đảm bảo được chất lượng nước về mặt vi sinh theo
QCVN 01:2009/BYT và lượng nước thu được đủ để phục vụ nhu cầu nước uống
cho một hộ gia đình trong ngày.
Phương pháp tiến hành thí nghiệm: Tôi sử dụng 2 mẫu nước là mẫu nước mặt ở
Quận Ô Môn đã được xử lý qua các quá trình lắng và lọc bằng các vật liệu đơn
giản và mẫu nước cấp Khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên làm nguồn
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
iiiii
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
cung cấp đầu vào cho mô hình, tiến hành nấu nước với những vị trí tiêu cự khác
nhau.
Các kết quả đạt được sau khi tiến hành các thí nghiệm: công suất đầu ra của mô
hình đạt từ 15 – 20 lít/ ngày đủ để phục vụ nhu cầu nước uống trong ngày của một
họ dân, nước đầu ra được đảm bảo chất lượng khi kết quả phân tích các chỉ tiêu vi
sinh như tổng Coliform và E.coli đều đạt theo qui chuẩn Việt Nam 01 : 2009 của
Bộ Y Tế.
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
iviii
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN……………………………………………………………………i
TÓM TẮT ĐỀ TÀI……………………………………………………………...ii
MỤC LỤC………………………………………………………………………iv
DANHSÁCH HÌNH…………………………………………………………..viii
DANHSÁCH BẢNG……………………………………………………………x
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU………………………………………….……1
CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU………………………………….3
2.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...........................................3
2.1.1 Cấu trúc của mặt trời ................................................................................4
2.1.2 Năng lượng mặt trời .................................................................................4
2.1.3 Các đơn vị biễu diễn năng lượng mặt trời ................................................5
2.1.4 Bức xạ mặt trời .........................................................................................5
2.1.5 Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam.................................................8
a. Cường độ bức xạ...........................................................................................8
b. Số giờ nắng trong cả năm ...........................................................................10
2.2 ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .......................................11
2.2.1 Pin quang điện ........................................................................................12
2.2.2 Hội tụ ......................................................................................................12
2.2.3 Bẫy nhiệt.................................................................................................12
2.3 THIẾT BỊ THU BỨC XẠ HỘI TỤ ..............................................................13
2.3.1 Khái niệm ...............................................................................................13
2.3.2 Nguyên lý chung của các thiết bị thu bức xạ hội tụ năng lượng mặt trời
.........................................................................................................................13
2.3.3 Bộ thu năng lượng mặt trời dạng parapol trụ .........................................14
2.3.4 Nguyên lý hoạt động của bộ thu dạng máng cong .................................14
2.3.5 Nguyên lý thiết kế bộ thu dạng máng cong............................................15
2.3.6 Công thức tính bộ thu dạng máng cong..................................................16
2.4 BỨC XẠ MẶT TRỜI TRUYỀN QUA KÍNH .............................................16
2.5 CÁC LOẠI NẮP ĐẬY TRONG SUỐT .......................................................18
2.6 HỆ ĐUN NƯỚC NÓNG CÓ TÍCH TRỮ NHIỆT........................................19
2.7 KHỬ TRÙNG NGUỒN NƯỚC ...................................................................21
2.7.1 Phương pháp khử trùng bằng nhiệt ........................................................23
2.7.2 Mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ của quá trình khử trùng nước
bằng nhiệt.........................................................................................................23
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN……...25
3.1 ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN THỰC HIỆN .................................................25
3.1.1 Địa điểm .................................................................................................25
3.1.2 Thời gian.................................................................................................25
3.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ....................................................................25
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
viv
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
3.2.1 Các bước thực hiện đề tài .......................................................................25
3.2.2 Thuyết minh quy trình thực hiện ............................................................26
3.2.3 Yêu cầu của mô hình sau khi chế tạo ....................................................29
3.3 VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐO ĐẠC .............30
3.3.1 Vật liệu chế tạo mô hình.........................................................................30
3.3.2 Hình ảnh thông số đo đạc của các thiết bị phục vụ quá trình thí nghiệm
.........................................................................................................................31
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………..32
4.1 Xác định mục tiêu, công suất thiết kế ...........................................................32
4.2 Tính toán kích thước hệ thống ......................................................................32
Diện tích mặt hứng nắng .................................................................................32
Diện tích và thể tích của ống hấp thụ ..............................................................32
Chiều dài cần uốn của tấm phản xạ .................................................................33
Kích thước khung sườn và vật liệu cách nhiệt. ...............................................33
Lớp kính đậy trong suốt...................................................................................33
4.3 Chọn vật liệu chế tạo mô hình.......................................................................34
4.3.1- Mặt phản xạ và ống hấp thụ ..................................................................34
4.3.2 Vật liệu làm khung sườn.........................................................................34
4.3.3 Vật liệu cách nhiệt ..................................................................................34
4.3.4 Tấm kính đậy trong suốt.........................................................................35
4.4 Tính toán lại công suất, kích thước thiết kế hệ thống ...................................35
4.4.1 Kích thước ống hấp thụ ..........................................................................35
4.4.2 Diện tích mặt hứng nắng và chiều dài đoạn uốn cong của tấm phản xạ 35
4.4.3 Kích thước khung sườn ..........................................................................36
4.4.4 Kích thước lớp kính đậy trong suốt ........................................................37
4.4.5 Các thiết bị phụ trợ .................................................................................37
4.4.6 Sơ đồ tổng thể hệ thống ..........................................................................39
4.5 Kết quả vận hành hệ thống ...........................................................................41
4.5.1 Nguyên tắc tiến hành thí nghiệm............................................................41
4.5.2 Kết quả thí nghiệm .................................................................................42
Thí nghiệm 1: Đun nước theo mẻ không kết hợp bẫy nhiệt. ......................42
Thí nghiệm 2: Đun nước theo mẻ kết hợp bẫy nhiệt. ..................................46
Thí nghiệm 3: Kết quả đun đối lưu tự nhiên kết hợp bẫy nhiệt...................58
4.6 Giá thành hệ thống ........................................................................................66
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………68
5.1 KẾT LUẬN ...................................................................................................68
5.2 KIẾN NGHỊ ..................................................................................................69
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................70
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
vi
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời.........................................................................................5
Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ ............................................................................................6
Hình 2.3 Góc nhìn từ mặt trời ........................................................................................ 7
Hình 2.4 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái
đất.................................................................................................................................... 8
Hình 2.5 Đường cong parapol....................................................................................... 14
Hình 2.6 Mô tả đặc trưng của parapol trụ ..................................................................... 15
Hình 2.7 Hiệu ứng nhà kính.......................................................................................... 17
Hình 2.8 Hệ thống thu và tích trữ năng lượng mặt trời dạng tuần hoàn tự nhiên......... 19
Hình 3.1 Sơ đồ thể hiện các bước thực hiện đề tài ....................................................... 25
Hình 3.2 Máy đo bức xạ LX - 107................................................................................ 31
Hình 3.3 Tủ ủ vi sinh .................................................................................................... 31
Hình 4.1 Kích thước ống hấp thụ.................................................................................. 35
Hình 4.2 Kích thước khung sườn.................................................................................. 36
Hình 4.3 Lớp kính đậy trong suốt ................................................................................. 37
Hình 4.4 Chân đỡ mô hình............................................................................................ 38
Hình 4.5 Thùng trữ nước............................................................................................... 39
Hình 4.6 Qui trình tổng thể thiết kế mô hình nước nóng bằng năng lượng mặt trời
với bộ phận tập trung thu nhiệt hình máng ................................................................... 39
Hình 4.7 Mô hình nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời với bộ phận tập trung
thu nhiệt hình máng....................................................................................................... 40
Hình 4.8 Hình chiếu bằng của mô hình nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời
với bộ phận tập trung thu nhiệt hình máng ................................................................... 40
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
vii
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
Hình 4.9 Hình chiếu cạnh mô hình nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời với
bộ phận tập trung thu nhiệt hình máng ........................................................................ 41
Hình 4.10 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 24/02/2012 .............................................. 44
Hình 4.11 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 25/02/2012 .............................................. 45
Hình 4.12 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 27/02/2012 .............................................. 45
Hình 4.13 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 11/03/2012 .............................................. 52
Hình 4.14 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 12/03/2012 .............................................. 53
Hình 4.15 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 14/03/2012 .............................................. 53
Hình 4.16 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 17/03/2012 .............................................. 56
Hình 4.17 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 18/03/2012 .............................................. 57
Hình 4.18 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 19/03/2012 .............................................. 57
Hình 4.19 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 04/04/2012 .............................................. 60
Hình 4.20 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 05/04/2012 .............................................. 61
Hình 4.21 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 06/04/2012 .............................................. 61
Hình 4.22 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 11/04/2012 .............................................. 64
Hình 4.23 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 12/04/2012 .............................................. 65
Hình 4.24 Biểu đồ nhiêt độ và bức xạ ngày 14/04/2012 .............................................. 65
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
viii
vii
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Mật độ năng lượng mặt trời trung bình năm và số giờ nắng theo tiểu khu
vực ................................................................................................................................. 3
Bảng 2.2 Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm của các vùng lãnh
thổ.................................................................................................................................. 10
Bảng 2.3 Số giờ nắng trung bình cả năm của các vùng lãnh thổ .................................. 11
Bảng 2.4 Các vật liệu nắp đậy trong suốt ..................................................................... 18
Bảng 2.5 Diễn biến tình trạng số ca mắc bệnh dịch tả qua các năm ở Việt Nam......... 22
Bảng 2.6 Nhiệt độ và thời gian cần thiết cho quá trình khử trùng................................ 24
Bảng 3.1 Phương tiện và phương pháp theo dõi các chỉ tiêu của bộ phận tập trung
thu nhiệt hình máng sử dụng năng lượng mặt trời........................................................ 30
Bảng 4.1 Kết quả nấu nước nóng không kết hợp bẫy nhiệt ngày 24/02/2012.............. 42
Bảng 4.2 Kết quả nấu nước nóng không kết hợp bẫy nhiệt ngày 25/02/2012.............. 43
Bảng 4.3 Kết quả nấu nước nóng không kết hợp bẫy nhiệt ngày 27/02/2012.............. 44
Bảng 4.4 Kết quả xác định lượng nước nóng theo mẻ kết hợp bẫy nhiệt ngày
06/03/2012 .................................................................................................................... 47
Bảng 4.5 Kết quả xác định lượng nước nóng theo mẻ kết hợp bẫy nhiệt ngày
07/03/2012 .................................................................................................................... 48
Bảng 4.6 Kết quả xác định lượng nước nóng theo mẻ kết hợp bẫy nhiệt ngày
09/03/2012 .................................................................................................................... 49
Bảng 4.7 Kết quả nấu nước nóng kết hợp bẫy nhiệt ngày 11/03/2012......................... 50
Bảng 4.8 Kết quả nấu nước nóng kết hợp bẫy nhiệt ngày 12/03/2012......................... 51
Bảng 4.9 Kết quả nấu nước nóng kết hợp bẫy nhiệt ngày 14/03/2012......................... 51
Bảng 4.10 Kết quả nấu nước nóng kết hợp bẫy nhiệt ngày 17/03/2012....................... 54
Bảng 4.11 Kết quả nấu nước nóng kết hợp bẫy nhiệt ngày 18/03/2012....................... 55
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
ixviii
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
Bảng 4.12 Kết quả nấu nước nóng kết hợp bẫy nhiệt ngày 19/03/2012....................... 55
Bảng 4.13 Kết quả nấu nước nóng theo kiểu đối lưu tự nhiên kết hợp bẫy nhiệt
ngày 04/04/2012............................................................................................................ 58
Bảng 4.14 Kết quả nấu nước nóng theo kiểu đối lưu tự nhiên kết hợp bẫy nhiệt
ngày 05/04/2012............................................................................................................ 59
Bảng 4.15 Kết quả nấu nước nóng theo kiểu đối lưu tự nhiên kết hợp bẫy nhiệt
ngày 06/04/2012.............................................................................................................59
Bảng 4.16 Kết quả nấu nước nóng theo kiểu đối lưu tự nhiên kết hợp bẫy nhiệt
ngày 11/04/2012............................................................................................................ 62
Bảng 4.17 Kết quả nấu nước nóng theo kiểu đối lưu tự nhiên kết hợp bẫy nhiệt
ngày 12/04/2012............................................................................................................ 63
Bảng 4.18 Kết quả nấu nước nóng theo kiểu đối lưu tự nhiên kết hợp bẫy nhiệt
ngày 14/04/2012............................................................................................................ 63
Bảng 4.19 Chi phí chế tạo mô hình................................................................................. 6
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
xix
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
Việt Nam là một nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn trong lúc đó
các nguồn năng lượng khác không đủ cung cấp cho nhu cầu ngày càng tăng của
công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Các số liệu khảo sát về lượng
bức xạ mặt trời cho thấy các địa phương ở phía Tây Bắc và Bắc Trung Bộ bình
quân có khoảng từ 1.800 – 2.100 giờ nắng trong một năm, ở phía Nam (từ Đà
Nẵng trở vào) bình quân có khoảng từ 2.000 – 2.600 giờ nắng/năm [1], với số giờ
nắng như vậy có thể nói rằng bức xạ mặt trời là nguồn tài nguyên to lớn cho các
tỉnh miền Trung và miền Nam. Tại khu vực phía Nam chỉ riêng ở tỉnh Cần Thơ có
nguồn bức xạ mặt trời dao động từ 15,00 – 20,95 MJ/m2.ngày trong năm [3], qua
các số liệu đó có thể thấy được rằng việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt
trời trong đời sống phục vụ lợi ích cho con người và xã hội là những việc làm cần
thiết vào lúc này khi các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt và chi
phí cho việc sử dụng những nguồn năng lượng truyền thống này ngày một tăng
cao.
Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được phát triển,
đã trở thành đề tài được quan tâm nhiều của các nhà khoa học, các kỹ sư không chỉ
ở những nước đang phát triển mà còn ở những nước đã có nền công nhiệp phát
triển mạnh mẽ vì đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và
có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao [9]. Trong khi đó ở nước ta cuộc sống
của người dân nông thôn còn nghèo, chất đốt chủ yếu được sử dụng là rơm rạ,
than, củi, do đó vấn đề đốn cây phá rừng làm chất đốt ngày một gia tăng làm ảnh
hưởng đến môi trường sinh thái tự nhiên. Do vậy nghiên cứu sử dụng nguồn năng
lượng mặt trời để nấu cơm, nước và thức ăn là rất cần thiết và có ý nghĩa rất lớn
trong việc góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường sinh thái ở nước ta.
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
1
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
Hiện nay các sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời xuất hiện trên thị
trường thì rất nhiều chủng loại khác nhau, năm 2008 có khoảng 60 nghìn thiết bị
đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời đã được lắp đặt [20], tuy nhiên về giá
thành của những sản phẩm này tương đối cao khó có thể áp dụng được cho các
vùng nông thôn và những hộ gia đình có thu nhập thấp, chính vì vậy việc nghiên
cứu và chế tạo ra những sản phẩm, thiết bị vừa tiện lợi vừa hợp giá thành là điều
rất cần thiết, để giúp họ có thể tiếp cận được những tiến bộ của khoa học kĩ thuật
và giảm thói quen sử dụng rơm, than, củi để đun nấu vừa ảnh hưởng tới sức khỏe
vừa gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Trên những vấn đề thực tiễn đó, mà đề
tài : “Thiết kế mô hình nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời với bộ phận
tập trung thu nhiệt hình máng” được thực hiện là thiết thực, nhằm xác định hiệu
quả nấu nước nóng và kết quả của việc khử trùng bằng nhiệt từ mô hình.
• Mục tiêu nghiên cứu đề tài:
Thiết kế và chế tạo mô hình nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời với bộ phận
tập trung thu nhiệt hình máng có thể áp dụng được với người dân vùng nông thôn
khi mô hình được dùng để đun và khử trùng nguồn nước sử dụng hàng ngày của
các hộ dân khi đã được xử lý qua các quá trình lắng và lọc đơn giản, qua các thí
nghiệm của mô hình có thể xác định được khoảng thời gian và nhiệt độ cần thiết
cho quá trình khử trùng để đảm bảo được chất lượng nguồn nước.
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
CHƯƠNG 2
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn là một trong các nguồn năng
lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta.
Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng
lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông… Năng lượng mặt
trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này
cần phải biết những đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt
quả đất ( Đặng Đình Thống, 2005).
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo
dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Vì thế, đây được coi là nguồn năng
lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng truyền thống đang ngày
càng cạn kiệt (Phan Đức Chỉnh dịch từ B.J. BRINKWORTH, 1981).
Bảng 2.1 Mật độ năng lượng mặt trời trung bình năm và số giờ nắng
theo tiểu khu vực [17]
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới với lãnh thổ trãi dài từ vĩ độ 8-230 vĩ
Bắc cho nên có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời và tiềm năng năng lượng
mặt trời là khác nhau có thể chia ra thành 5 tiểu khu vực với các đặc trưng về năng
lượng mặt trời được biểu thị ở bảng 2.1
2.1.1 Cấu trúc của mặt trời
Theo Đặng Đình Thống (2005) có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở
cách quả đất 1,49.108 km. Từ trái đất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là
31’59. Từ đó có thể tính được đường kính của mặt trời là R = 1,4.106 km, tức là
bằng 109 lần đường kính quả đất và do đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích
quả đất 130.104 lần. Từ định luật hấp dẫn người ta cũng tính được khối lượng của
mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lượng quả đất 33.104 lần. Mật độ trung
bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lượng riêng của nước (1g/cm3) khoảng
50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất khác nhau. Ở phần
lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160g/cm3, nhưng
càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh.
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía
trong và phần khí quyển bên ngoài. Phần khí quyển bên ngoài lại gồm ba miền và
được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó cũng có
thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời. Một số
thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 2.1
2.1.2 Năng lượng mặt trời
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4 % khí hydro, heli chiếm 19.8%,
các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây
nó phát ra 3,865.1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn
than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được năng lượng rất nhỏ và
bằng 17,57.106 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá.
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
4
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời
( Đặng Đình Thống, 2005)
2.1.3 Các đơn vị biễu diễn năng lượng mặt trời
Quang thông: là đại lượng trắc quang cho biết công suất bức xạ của chùm ánh
sáng phát ra từ một nguồn sáng điểm [19].
Đơn vị của quang thông là Lumen (lm): 1 lm = 1,464.10-3 W tại bước sóng
555 nm.
Độ rọi (cường độ ánh sáng): là mật độ của thông lượng ánh sáng, nói cách khác là
số Lumen trên một đơn vị diện tích [18].
Đơn vị của độ rọi là Lux (lx): 1 lx = 1lm/m2
2.1.4 Bức xạ mặt trời
Theo Hoàng Dương Hùng (2004) trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ
liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không
quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất Mặt trời
bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
5
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (Hình
2.2), từ tâm Mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng
giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ
chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt Mặt trời nơi
có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ
chế khác bắt đầu xảy ra;
Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời
là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 - 10 µm
và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng
0,38 - 0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ;
Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ
( Hoàng Dương Hùng, 2004)
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
6
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
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 với 1m2 bề
mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:
q = ϕ D -T. C0 (T/100)4
(2.1)
Ở đây : ϕ D – T : hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời
ϕ
D-T = β
2
(2.2)
/4
β - góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’ như (hình 2.3)
C0 = 5,67 W/m2.K4 - hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T ≈ 5762 0K - nhiệt độ bề mặt Mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối)
2
Vậy
2 × 3,14 × 32
4
360 × 60
5762
2
q=
× 5,67 ×
≈ 1353 W/m
4
100
Hình 2.3 Góc nhìn từ mặt trời
( Hoàng Dương Hùng, 2004)
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
7
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những
ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2.
Quátrời
trình
truyền
năng lượng bức xạ mặt trời
2.1.5 Năng lượngHình
bức 2.4
xạ mặt
ở Việt
Nam
qua lớp khí quyển của Trái đất
( Hoàng Dương Hùng, 2004)
a. Cường độ bức xạ
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
8
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
2.1.5 Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam
a. Cường độ bức xạ
Theo Nguyễn Công Vân (2005) xử lý số liệu của 112 trạm quan trắc khí
tượng thủy văn trên toàn quốc về bức xạ Mặt Trời và thời gian nắng, được thu thập
liên tục trong khoảng thời gian 18 ÷ 29 năm, mỗi ngày tiến hành 5 lần quan trắc
vào các giờ 6h30, 9h30, 12h30, 15h30 và 18h30.
Giá trị cường độ bức xạ trung bình ngày được tính theo công thức:
Qd =
Q
Qi
Q n
Q
τ moc + ( i + ∑Qi + k ) + k τ lan(kWh/ m2 / n)
2
2 i=2
2
2
(2.3)
Trong đó, Qd lượng tổng xạ cả ngày trung bình;
Q
i
Q
k
- cường độ tổng xạ trung bình ở kỳ quan trắc đầu có giá trị Q>0;
τ
moc
τ
lan
- cường độ tổng xạ trung bình ở kỳ quan trắc cuối có giá trị Q>0;
- khoảng thời gian giữa lúc mặt trời mọc và kỳ quan trắc đầu có Q>0;
- khoảng thời gian giữa lúc mặt trời lặn và kỳ quan trắc cuối có Q>0;
Giá trị cường độ tổng xạ trung bình cả năm (kWh/m2/năm) hay
(kWh/m2/N)
∑S Q
Q=
(kWh/ m
∑S
i
i
2
i
i
/ N) (2.4)
i
i
Trong đó, Si diện tích của địa phương có đặt trạm quan trắc thứ i;
Qi - cường độ bức xạ trung bình trong nhiều năm tại trạm quan trắc thứ i;
Si - tổng diện tích của nhóm địa phương hoặc tất cả các địa phương trong
toàn quốc.
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
9
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CBHD:LÊ HOÀNG VIỆT
Bảng 2.2 Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm của các vùng
lãnh thổ ( Nguyễn Công Vân, 2005 )
Vùng
lãnh thổ
1
2
3
4
Tên địa phương
Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc,
Đồng bằng sông Hồng đến Vinh,
Nghệ An.
Vùng núi Tây Bắc Thanh Hóa –
Hà Tĩnh, Quãng Bình, Quãng
Trị.
Thừa Thiên Huế, ven biển từ Đà
Nẵng đến Phú Yên, Kon Tum,
Gia Lai, các tỉnh Miền Đông
Nam Bộ, T.P Hồ Chí Minh , các
tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long.
Đak Lak, Lâm Đồng, Khánh
Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận,
Bà Rịa Vũng Tàu.
Cả nước
Cường độ bức xạ trung bình
(kWh/m2/n)
(kWh/m2/N)
3,91
1.427
4,44
1.549
4,80
1.799
5.61
2.084
4,59
1.675
b. Số giờ nắng trong cả năm
Số giờ nắng được đo bằng nhật quang ký Cambell –Stocker, trong đó có
một số ít trạm dùng nhật quang ký Jordan, nhưng sự khác nhau giữa hai loại này
là không đáng kể. Các giờ nắng được tính khi cường độ bức xạ có giá trị Q≥ 140
W/m2. Dựa vào số liệu đo được của 112 trạm để tính số giờ nắng trung bình trong
vùng lãnh thổ. Số giờ nắng trung bình cả năm của các vùng lãnh thổ được cho
trong bảng (2.2) và được tính theo công thức:
SVTH: TRẦN HUY HÙNG
10
- Xem thêm -