Tài liệu Thiết kế máy đun nước bằng năng lượng mặt trời (a design of solar energy water heater)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY ĐUN NƯỚC BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (A Design of Solar Energy Water Heater) GVHD: TS. Lê Khánh Điền SVTH : Lê Minh Trí MSSV : 1513658 TPHCM, THÁNG 6 NĂM 2019 Luận Văn Tốt Nghiệp NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Lời Mở Đầu GVHD: TS. Lê Khánh Điền LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với tốc độ phát triền nhanh chóng của các ngành công nghiệp nặng, nhu cầu năng lượng không ngừng tăng cao, việc khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch tác động nặng nề đến hàng loạt vấn đề về môi trường mà con cháu chúng ta mai sau sẽ phải là người lãnh nhận. Trong xu thế phát triển bền vững, sử dụng các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo thân thiện môi trường như năng lượng Mặt Trời đã và đang được nghiên cứu tận dụng tối đa trong ứng dụng vào sản xuất và cuộc sống sinh hoạt hàng ngày. Việc sử dụng năng lượng Mặt Trời không chỉ tiết kiệm chi phí bỏ ra mà còn là một hành động thể hiện ý thức bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu của mỗi cá nhân. Những năm gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ năng lượng Mặt Trời đã trở nên phổ biến rộng rãi khắp Thế Giới, hàng trăm hàng ngàn các cánh đồng năng lượng Mặt Trời được trên khắp các quốc gia và vùng lãnh thổ. Đánh dấu bước chuyển biến, dần ngưng lệ thuộc vào các nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Việt Nam là một trong những quốc gia có lượng bức xạ ánh nắng Mặt Trời nhiều nhất trong biểu đồ bức xạ Mặt Trời Thế Giới. Điều đó tạo thuận lợi cho ta về việc ứng dụng năng lượng Mặt Trời trong đời sống sinh hoạt hằng ngày, điển hình là việc đun sôi nước sử dụng.Việc nghiên cứu thiết kế và ứng dụng năng lượng Mặt Trời trong đun sôi nước có thể giúp chúng ta tiết kiệm được nguồn điện, nguồn nhiên liệu hóa thạch được đốt, hạn chế phát thải khí CO2 ra môi trường đồng thời giải quyết được nhu cầu năng lượng trong xu thế phát triển bền vững của Thế Giới. Nhận thấy tiềm năng to lớn ấy, luận văn này được thực hiện không với một tham vọng nào lớn lao hơn ngoài việc có thể góp một phần công sức nhỏ nhoi vào xu thế sử dụng năng lượng sạch và phát triển bền vững của nhân loại nói chung và Việt Nam nói riêng. Tôi xin dành lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy LÊ KHÁNH ĐIỀN, một người thầy cũng là người truyền cho tôi ngọn lửa nhiệt huyết để gắn bó với nghề cơ khí. Tôi biết ơn thầy vì đã không quản khó nhọc đêm ngày để tận tâm hướng dẫn cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn đầy khó khăn. Luận văn này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự động viên của Cha Mẹ, gia đình, sự giúp đỡ của bạn bè và quý thầy cô trong khoa Cơ khí, xin gửi lời cảm ơn đến tất cả! Tự nhận thấy kiến thức của bản thân còn nhiều thiếu sót và giới hạn, dù đã cố gắng hết sức nhưng trong quá trình làm luận văn chắc hẳn không thể nào tránh khỏi sai sót. Tôi kính mong quý thầy cô, các kỹ sư và những nhà kỹ thuật có thể thẳng thắn góp ý, phê bình để tôi có cơ hội được học hỏi và khắc phục sai sót của mình. Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện LÊ MINH TRÍ SVTH: Lê Minh Trí – MSSV: 1513658 i Tóm Tắt Luận Văn GVHD: TS. Lê Khánh Điền TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn “Thiết kế máy đun nước bằng năng lượng Mặt Trời” cung cấp một bản thiết kế khác với những bản thiết kế máy đun nước bằng năng lượng Mặt Trời hiện có trên thị trường. Bản thiết kế này giúp nâng cao nguồn nhiệt hấp thụ trong cùng một diện tích hứng nắng so với các dòng máy hiện nay bằng cách sử dụng một gương tập trung năng lượng và truyền động cho gương luôn hướng về phía Mặt Trời. Luận văn được chia làm bốn chương và phần kết luận với nội dung cụ thể như sau: Chương I: Tổng quan về năng lượng Mặt Trời Chương I tập trung nghiên cứu tổng quan và khảo sát tính khả thi của việc sử dụng năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam, khảo sát các loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời đã có bán trên thị trường, phân tích ưu nhược điểm của mỗi loại và từ đó đánh giá tính cần thiết của đề tài. Chương II: Yêu cầu kỹ thuật Chương II đánh giá nhu cầu sử dụng và đối tượng khách hàng chính, đề ra tiêu chí thiết kế và các chỉ tiêu ràng buộc để định hướng lên ý tưởng và chọn vật liệu thiết kế phù hợp. Chương III: Thiết kế bộ phận tập trung năng lượng Chương III phân tích ưu nhược điểm của từng phương án tập trung năng lượng từ đó chọn ra phương án tối ưu nhất để thiết kế, tính toán khả năng hội tụ, năng suất đun sôi nước trong ngày và tính toán tải trọng làm quay gương. Chương IV: Thiết kế hệ thống truyền động Chương IV phân tích ưu nhược điểm của từng phương án truyền động, chọn ra phương án phù hợp và tiến hành tính toán phân phối tỷ số truyền, đề ra thông số thiết kế và tải trọng, phân tích lực học, động học cơ cấu truyền động để thiết kế các chi tiết máy và bộ truyền của hệ thống. Kết luận Phần Kết luận đánh giá tổng kết những gì luận văn đã làm được và đề ra hướng phát triển tiềm năng của sản phẩm. SVTH: Lê Minh Trí – MSSV: 1513658 ii GVHD: TS. Lê Khánh Điền Mục Lục MỤC LỤC Đề mục Trang NHIỆM VỤ LUẬN VĂN LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................i TÓM TẮT LUẬN VĂN.................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................. v DANH MỤC BẢNG BIỂU............................................................................................vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................ 1 1.1 Sơ lược về sử dụng Năng lượng Mặt Trời ............................................... 1 1.2 Tình hình sử dụng Năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam............................. 1 1.2.1 Tiềm năng Năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam ....................................1 1.2.2 Tình hình ứng dụng .............................................................................5 1.3 Tổng quan về các máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời........... 6 1.3.1 Cấu tạo các loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời hiện nay ........6 1.3.2 Phân loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời .................................7 1.4 Tính cần thiết của đề tài ......................................................................... 10 CHƯƠNG 2: YÊU CẦU KỸ THUẬT .......................................................................12 2.1 Đối tượng khách hàng và nhu cầu ......................................................... 12 2.2 Tiêu chí thiết kế ..................................................................................... 12 2.3 Các chỉ tiêu ràng buộc ........................................................................... 13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ PHẬN TẬP TRUNG NĂNG LƯỢNG.................... 14 3.1 Chọn loại thiết bị hội tụ năng lượng ...................................................... 14 3.1.1 Phương án 1: Gương phản xạ tuyến tính hoặc thấu kính Fresnel .....14 3.1.2 Phương án 2: Hệ thống tháp tập trung năng lượng ........................... 15 3.1.3 Phương án 3: Thiết bị tập trung năng lượng dạng máng Parabol .....16 3.1.4 Phương án 4: Thiết bị tập trung năng lượng dạng máng trụ tròn ......17 3.1.5 Phương án 5: Thiết bị tập trung năng lượng dạng chảo Paraboloid ..18 3.1.6 Kết luận phương án ...........................................................................19 3.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo gương parabol hội tụ và ống hấp thụ nhiệt .. 20 3.3 Tính toán biên dạng và kích thước cơ bản của gương ........................... 21 3.4 Tính toán kết cấu và tải trọng làm quay gương ..................................... 23 SVTH: Lê Minh Trí – MSSV: 1513658 iii GVHD: TS. Lê Khánh Điền Mục Lục 3.4.1 Kết cấu khung gương ........................................................................23 3.4.2 Tính toán đối trọng cho gương .......................................................... 30 3.4.3 Tải trọng làm quay gương .................................................................32 3.5 3.5.1 Khả năng hội tụ của gương .................................................................... 33 Giá trị nhiệt lượng bức xạ Mặt Trời đến bề mặt Trái Đất .................34 3.5.2 Năng lượng hấp thụ lý thuyết ............................................................ 38 3.5.3 Hiệu suất ............................................................................................ 38 3.5.4 Tính toán năng suất đun sôi nước...................................................... 40 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ......................................42 4.1 Sơ đồ động và thông số thiết kế ............................................................. 42 4.1.1 Phương án 1: Sử dụng nguyên lý điều khiển vòng kín ..................... 42 4.1.2 Phương án 2: Sử dụng hộp giảm tốc bánh răng hành tinh ................44 4.2 Chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền cho hệ thống truyền động ..... 46 4.3 Tính toán hệ thống truyền động ............................................................. 49 4.3.1 Bộ truyền đai thang ...........................................................................49 4.3.2 Bộ truyền bánh răng hành tinh cấp chậm ..........................................52 4.3.3 Bộ truyền bánh răng hành tinh cấp nhanh .........................................61 4.3.4 Điều kiện bôi trơn của bộ truyền bánh răng ......................................70 4.3.5 Lực tác dụng lên bộ truyền ................................................................ 71 4.3.6 Trục V................................................................................................ 73 4.3.7 Trục I .................................................................................................77 4.3.8 Trục III .............................................................................................. 81 4.3.9 Trục II ................................................................................................ 85 4.3.10 Trục IV .............................................................................................. 90 4.3.11 Kiểm nghiệm bánh răng ly hợp ......................................................... 95 KẾT LUẬN ..................................................................................................................98 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 99 SVTH: Lê Minh Trí – MSSV: 1513658 iv Danh Mục Hình Ảnh GVHD: TS. Lê Khánh Điền DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cường độ bức xạ của các quốc gia trên Thế Giới. [3] ....................................2 Hình 1.2 Bản đồ bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam [3]. ....................................................... 4 Hình 1.3 Nguyên lý chung máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời hiện nay. .....6 Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không. ...................................................................................................................... 7 Hình 1.5 Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không. ......................... 7 Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống dầu. ..................................................................................................................................8 Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng tấm phẳng. ............................................................................................................................ 10 Hình 3.1 Thấu kính Fresnel và gương phản xạ tuyến tính Fresnel [5]......................... 15 Hình 3.2 Hệ thống tháp tập trung năng lượng. [6] ....................................................... 16 Hình 3.3 Hiện tượng lệch giao điểm khi tia sáng Mặt Trời chiếu thẳng góc (a) và khi tia sáng mặt trời chiếu lệch một góc với pháp tuyến mặt gương (b). [9] .................... 16 Hình 3.4 a) Tia tới lệch góc 60o; b) Tia tới lệch góc 30; c) Tia tới thẳng góc [5]. ......18 Hình 3.5 Thiết bị tập trung năng lượng dạng chảo Paraboloid. ..................................19 Hình 3.6 Vùng hội tụ ánh sáng của gương parabol khi tia tới bị lệch so với phương thẳng đứng do sai số chế tạo và lắp đặt. .......................................................................21 Hình 3.7 Biên dạng của gương parabol ........................................................................22 Hình 3.8 Mặt bên khung gương được mô phỏng bằng Solidworks 2016. ..................... 23 Hình 3.9 Khung giữa được mô phỏng bằng Solidworks 2016 ......................................24 Hình 3.10 Thanh nối được mô phỏng bằng Solidworks 2016. ......................................24 Hình 3.11 Biểu đồ nội lực và momen thanh đơn chịu lực phân bố đều trên 2 gối tựa. 26 Hình 3.12 Cụm khung gương mô phỏng bằng Solidworks 2016. ..................................29 Hình 3.13 Cụm khung gương đã lợp tấm nhôm phản quang. .......................................29 Hình 3.14 Hệ trục toạ độ Oxyz của khung gương. ........................................................ 30 Hình 3.15 Kết quả tính toán bằng Mass Properties của Solidworks trước và sau khi lắp đối trọng. .................................................................................................................32 Hình 3.16 Các thông số xác định vị trí Mặt Trời [9]. ................................................... 34 Hình 3.17 Các góc của Mặt Trời. [8] ...........................................................................35 Hình 4.1 Sơ đồ khối phương án 1. .................................................................................42 Hình 4.2 Sơ đồ động học của hệ thống truyền động cơ khí theo phương án 1. ............43 Hình 4.3 Sơ đồ động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời. .................................45 Hình 4.4 Sơ đồ động hệ thống truyền động hộp giảm tốc bánh răng hành tính. ..........45 Hình 4.3 Cơ cấu bánh răng hành tinh với hai bánh hành tinh ăn khớp ngoài .............46 SVTH: Lê Minh Trí – MSSV: 1513658 v GVHD: TS. Lê Khánh Điền Danh Mục Bảng Biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Hệ số phản xạ đối với ánh sáng trắng của một số vật liệu [5]. ..................... 20 Bảng 3.2 Giá trị nhiệt bức xạ Mặt Trời ứng với góc thiên độ.......................................35 Bảng 3.3 Giá trị góc thiên đỉnh 𝑐𝑜𝑠 𝜃𝑧 ứng với ngày của các tháng mùa khô. ...........36 Bảng 3.4 Giá trị góc thiên đỉnh 𝑐𝑜𝑠 𝜃𝑧 ứng với ngày của các tháng mùa mưa. .........36 Bảng 3.5 Khu vực khảo sát chọn thành phố Hồ Chí Minh, nên giá trị TR được lấy theo khu vực thành phố [9]. ..................................................................................................37 Bảng 3.6 Giá trị bức xạ nhiệt đến bề mặt Trái Đất vào các tháng mùa khô. ...............37 Bảng 3.7 Giá trị bức xạ nhiệt đến bề mặt Trái Đất vào các tháng mùa mưa ...............37 Bảng 4.1 Các cơ cấu truyền động bánh răng hành tinh. [10] ......................................44 Bảng 4.2 Đặc tính hệ thống truyền động. ......................................................................49 SVTH: Lê Minh Trí – MSSV: 1513658 vi Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Sơ lược về sử dụng Năng lượng Mặt Trời Những nguồn năng lượng hiện đang được con người khai thác sử dụng trong đời sống và sản xuất như than, dầu, khí thiên nhiên không phải là vô tận trong lòng đất. Trữ lượng dầu Thế Giới đã được chứng minh là 1341 tỷ thùng (2009), trữ lượng than Thế Giới là 948.000 triệu tấn (2008), và trữ lượng khí thiên nhiên Thế Giới là 178,3 nghìn tỷ m3 (2009). Tỷ lệ sản xuất hiện tại tương đương với 87,4 triệu thùng/ngày đối với dầu, 21,9 triệu tấn / ngày đối với than và 9,05 tỷ m3 / ngày đối với khí thiên nhiên. Do vậy với mức tiêu thụ hiện tại, dầu và khí sẽ đủ để đáp ứng nhu cầu chỉ lần lượt là 42 và 54 năm; trữ lượng than ở trong tình trạng tốt hơn, chúng sẽ đủ cho ít nhất 120 năm tới. Vấn đề này đã được đặt ra một cách nghiêm túc trước tình hình tiêu thụ năng lượng ngày một tăng trên Thế Giới và đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều nước trên Thế Giới hiện nay. Việc tìm các nguồn năng lượng mới được đưa vào chương trình nghiên cứu khai thác có nhiều dạng năng lượng mà con người đã quen dùng từ thời xưa như năng lượng Mặt Trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt,… Nhờ vào việc phát triển khoa học công nghệ, con người đã tìm ra một nguồn năng lượng gần như vĩnh cửu – năng lượng Mặt Trời. Theo tính toán của NASA, Mặt Trời còn có thể cung cấp năng lượng cho chúng ta trong khoảng 6,5 tỷ năm nữa. Nói cách khác, năng lượng Mặt Trời gần như vô tận, dư thừa để đáp ứng nhu cầu về năng lượng của nhân loại cho muôn vàn thế hệ về sau. Mặt Trời chiếu sáng hầu như khắp mọi nơi, tuy nhiên tính chất của việc chiếu sáng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau và thường phân bố không đều trên quy mô lớn cũng như trong từng vùng lãnh thổ. Trên bản đồ phân bố tiềm năng năng lượng Mặt Trời trên Thế Giới, ta thấy tiềm năng cao nhất ở các vùng cận xích đạo và xích đạo. Bên cạnh đó, đây còn là một nguồn năng lượng sạch; việc sản xuất năng lượng Mặt Trời cũng có ưu điểm hơn các loại năng lượng khác ở việc không sử dụng các loại động cơ gây tiếng ồn. Việc ứng dụng năng lượng Mặt Trời vào sử dụng đang là một xu hướng đối với các quốc gia trên Thế Giới. Điển hình, 4 trong 5 nước có GDP cao nhất Thế Giới là các cường quốc về sản xuất năng lương Mặt Trời. Đứng đầu danh sách là Đức (38,25 MW),Ý ( 18,622 MW ), Trung Quốc (28,330 MW), Nhật (23,409 MW), Hoa Kỳ (18,317 MW). [1] 1.2 Tình hình sử dụng Năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam 1.2.1 Tiềm năng Năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam Tài nguyên nhiên liệu và năng lượng là nguồn lực cơ bản đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của đất nước, quốc gia nào giàu có về nguồn tài nguyên này là cơ sở tiền đề tốt nhất cho đáp ứng đầu vào của hệ thống kinh tế, nhưng cũng đặt ra nhiều thách thức về chính trị và an ninh quốc phòng. Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa Đông Nam Á, có nguồn tài nguyên nhiên liệu-năng lượng đa dạng đầy đủ các chủng SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 1 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền loại như than, dầu khí, thủy điện và các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng Mặt Trời. Trong khi các dự án nguồn thủy điện lớn đã được khai thác tối đa, các dự án nhiệt Hình 1.1 Cường độ bức xạ của các quốc gia trên Thế Giới. [3] điện than phải đối mặt với áp lực về môi trường thì việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng Mặt Trời, đang là hướng đi mới tại Việt Nam. Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng Mặt Trời, theo Hiệp hội Năng lượng sạch Việt Nam, nước ta là một trong những quốc gia có ánh nắng Mặt Trời nhiều nhất trong biểu đồ bức xạ Mặt Trời Thế Giới, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ Mặt Trời trung bình khoảng 5 kWh/m2. Trong khi đó cường độ bức xạ Mặt Trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân . Ở Việt Nam, bức xạ Mặt Trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 1.700 – 2500 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ tấn dầu tương đương (Ton of Oil Equivalent- TOE) . Trong đó:  Vùng Tây Bắc:  Nhiều nắng vào các tháng 8. Thời gian có nắng dài nhất vào các tháng 4,5 và 9,10. Các tháng 6,7 rất hiếm nắng, mây và mưa rất nhiều. Lượng tổng xạ trung bình ngày lớn nhất vào khoảng 5,234 kWh/m2/ngày và trung bình trong năm là 3,489 kWh/ m2/ngày.  Vùng núi cao khoảng 1500m trở nên thường ít nắng. Mây phủ và mưa nhiều, nhất là vào khoảng tháng 6 đến thàng 1. Cường độ bức xạ trung bình thấp (< 3,489 kWh/ m2/ ngày).  Vùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ: SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 2 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền  Ở Bắc Bộ, nắng nhiều vào tháng 5. Còn ở Bắc Trung bộ càng đi sâu về phía Nam thời gian nắng lại càng sớm, nhiều vào tháng 4.  Tổng bức xạ trung bình cao nhất ở Bắc Bộ khoảng từ thàng 5, ở Bắc Trung Bộ tù tháng 4. Số giờ nắng trung bình thấp nhất là trong tháng 2. 3 khoảng 2h/ngày, nhiều nhất vào tháng 5 với khoảng 6 – 7h/ngày và duy trì ở mức cao từ tháng 7.  Vùng Trung Bộ:  Từ Quảng Trị đến Tuy Hòa, thời gian nắng nhiều nhất vào các tháng giữa năm với khoảng 8 – 10h/ngày. Trung bình từ tháng 3 đến tháng 9, thời gian nắng từ 5 – 6 h/ngày với lượng tổng xạ trung bình trên 3,489 kWh/ m2/ngày (có ngày đạt 5,815 kWh/ m2/ngày).  Vùng phía Nam:  Ở vùng này, quanh năm dồi dào nắng. Trong các tháng 1, 3, 4 thường có nắng từ 7h sáng đến 17h. Cường độ bức xạ trung bình thường lớn hơn 3,489 kWh/ m2/ngày. Đặc biệt là các khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 5,815 kWh/ m2/ngày trong thời gian 8 tháng/năm. [2] SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 3 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền Hình 1.2 Bản đồ bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam [3]. SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 4 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền Tóm lại, Việt Nam và đặc biệt miền nam Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8’’ Bắc đến 23’’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ Mặt Trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2.năm, do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Giải pháp sử dụng năng lượng Mặt Trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu nhất. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao. Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin Mặt Trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. 1.2.2 Tình hình ứng dụng Có bốn dạng công nghệ năng lượng Mặt Trời hiện đang có mặt trên thị trường Việt nam. Đó là công nghệ năng lượng Mặt Trời: - Quy mô hộ gia đình. Quy mô thương mại sử dụng cho các khách sạn, nhà hàng, bệnh viện, quân đội và các trung tâm dịch vụ, cho làng mạc. Cụm pin Mặt Trời nhỏ như đèn công cộng, âm thanh, tivi và trạm cho sạc pin. Nhà máy phát điện nối lưới. Từ năm 1990, Phân viện Vật lý Tp.HCM đã triển khai các dự án điện Mặt Trời áp dụng vào các công trình công cộng như nhà văn hóa, bệnh viện tại Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, nơi mà lưới điện và tình hình kinh tế của người dân còn gặp nhiều khó khăn. Trên một số vùng hải đảo, như đảo Thiềng Liềng - xã Cần Gáo - huyện Cần Giờ, công trình điện Mặt Trời cũng đã cung cấp điện được cho hơn 50% hộ dân sống trên đảo. Đến năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại buôn Chăm xã Eahsol - huyện Eahleo - tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện Mặt Trời. Viện năng lượng EVN cũng đã thực hiện dự án phát điện lai ghép giữa pin Mặt Trời và động cơ gió với công suất 9kW đặt tại làng Kongu 2 - huyện Đắk Lắk - tỉnh Kontum, góp phần cung cấp điện cho đồng bào dân tộc thiểu số. Từ thành công của những dự án này, Viện năng lượng EVN kết hợp với Trung tâm năng lượng mới của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai ứng dụng dàn pin Mặt Trời tại các hộ dân và trạm biên phòng của đảo Cô Tô (tỉnh Quảng Ninh). Đồng thời, thực hiện dự án “Ứng dụng thí điểm điện Mặt Trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, huyện Lộc Bì, tỉnh Lạng Sơn. Trong khuôn khổ của chương trình hợp tác điện Mặt Trời giữa Bộ Ngoại giao Pháp, Điện lực Pháp và Liên minh Châu Âu, trạm năng lượng Mặt Trời hữu nghị giữa Việt nam và Pháp đã được thành lập tại TP Hồ Chí Minh. Trạm năng lượng Mặt Trời này thực hiện chương trình cung cấp điện cho các tỉnh như Gia Lai, Quảng Nam và Bình Phước (IEA, 2005). Ngoài ra, còn có một dự án trọng điểm SELCO, với sự hợp tác của Liên hiệp Hội phụ nữ Việt Nam với trên 600 hệ thống đang trong quá trình hoạt động (Hội đồng kinh tế Úc cho Năng lượng bền vững , 2005). [3] SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 5 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng thời gian qua các sản phẩm sử dụng năng lượng Mặt Trời vẫn chưa được rộng rãi chỉ tập trung tại nông thôn, miền núi. Hiện nước ta có hơn 3000 hộ dân vùng sâu, vùng xa được điện khí hóa bằng hệ điện Mặt Trời gia đình, 8.500 hộ sử dụng điện Mặt Trời qua các trạm sạc ắc quy. Nhưng tại khu vực nội thành như thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội, các công trình sử dụng năng lượng Mặt Trời rất hạn chế, rào cản lớn nhất bắt nguồn từ việc chi phí đầu tư ban đầu còn cao nên người dân chưa quan tâm nhiều đến việc sử dụng năng lượng Mặt Trời. 1.3 Tổng quan về các máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời hay còn được gọi là bình nước nóng năng lượng Mặt Trời là một thiết bị cung cấp nước nóng sinh hoạt sử dụng nguồn năng lượng từ Mặt Trời. Tại các quốc gia phát triển, nguồn năng lượng Mặt Trời đã được khai thác và ứng dụng nhiều trong cuộc sống. Đây là nguồn cung cấp năng lượng không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường đồng thời không cần bảo trì hay thay thế. Không cần nâng cấp thường xuyên. Đặc biệt cũng không gây ra nguy hiểm đến tính mạng con người như bình gas hay điện thế. 1.3.1 Cấu tạo các loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời hiện nay Máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời hoạt động theo nguyên lý hấp thụ nhiệt và truyền nhiệt. Theo đó, máy sẽ được làm từ các vật liệu hấp thụ nhiệt, có nhiệm vụ hấp thụ năng lượng từ nhiệt độ chiếu sáng của Mặt Trời. Nguồn năng lượng này sẽ được truyền sang cho nước ở bên trong và làm nóng nước thông qua các chất truyền nhiệt hoặc dung môi truyền nhiệt. Hình 1.3 Nguyên lý chung máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời hiện nay. SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 6 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền 1.3.2 Phân loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời Dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bình nước nóng năng lượng Mặt Trời người ta có thể chia chúng thành 3 loại cơ bản. Bao gồm các loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không, dạng ống dầu và loại tấm phẳng.  Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không Máy nước nóng có cấu tạo cơ bản là 1 bình chứa nước và các ống chân không. Các ống chân không này làm bằng thủy tinh hoặc hợp kim nhôm, bên trong là môi trường chân không. Các ống được đặt theo phương dốc xuống. Điều này giúp cho nước trong bồn chứa sẽ chảy xuống và lắp đầy các ống chân không này. Khi có ánh nắng Mặt Trời chiếu qua, các ống sẽ hấp thụ nhiệt từ Mặt Trời và làm nóng nước bên trong. Loại máy nước nóng ống chân không được sử dụng phổ biến nhờ có giá thành rẻ. Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không. Hình 1.5 Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không. SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 7 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền  Ưu điểm:  Giá thành rẻ hơn so với các sản phẩm cùng loại.  Sử dụng hoàn toàn năng lượng tự nhiên, góp phần bảo vệ môi trường.  Không sử dụng điện nên an tâm không có tình trạng chập nổ hay cháy điện.  Tuổi thọ cao, bảo hành lâu năm.  Nhược điểm:  Dễ bám bụi bẩn, rong rêu theo thời gian, phải có chế độ vệ sinh thường xuyên.  Ngừng truyền nhiệt khi không có nắng.  Chỉ nhận nhiệt trược tiếp từ phần mặt trên của ống.  Không khuyếch đại, tập trung được ánh sáng.  Không tự chỉnh hương về Mặt Trời.  Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống dầu: Có cấu tạo tương tự như máy nước nóng ống thường, tuy nhiên nó được bổ sung thêm dung môi hấp thụ nhiệt. Máy nước nóng ống dầu sẽ hấp thụ nhiệt được tốt hơn, làm nóng nước nhanh hơn và đồng thời duy trì được nước nóng lâu hơn so với ống thường. Ước tính loại máy nước nóng này có thể giữ nhiệt được tới 96 – 120 giờ kể cả khi không được cung cấp năng lượng nữa. Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống dầu. SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 8 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền  Ưu điểm:  Thời gian làm nước nóng nhanh hơn gấp 6 lần so với các sản phẩm máy nước nóng năng lượng Mặt Trời khác.  Không bị bám cặn, bẩn, đóng rong rêu trong ống năng lượng do nước chảy trực tiếp vào bình bảo ôn.  Khả năng làm nóng nước với nhiệt độ cao, lên tới hơn 90 độ.  Khi Mặt Trời không có nắng thì ống năng lượng của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống dầu vẫn có thể làm nóng thêm từ 1,5 đến 2 giờ. Đây là điểm khác biệt mà các dòng ống năng lượng khác không làm được.  Ống năng lượng dầu được cấu tạo nhiều lớp, an toàn cao.  Nhược điểm:  Chi phí đầu tư cao  Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời loại tấm phẳng: Máy nước nóng tấm phẳng có cấu tạo khác với các loại máy có ống dẫn thông thường. Loại máy này hấp thụ nhiệt bằng một tấm phẳng được làm từ vật liệu hấp thụ nhiệt (thủy tinh, inox, nhôm,…) được phủ lớp kính cường lực bên trên. Nước từ bồn chứa sẽ được bơm vào hệ thống ống dẫn gắn trên tấm phẳng, sau khi nhận nhiệt nóng lên sẽ quay trở lại bồn chứa bảo ôn. Vòng bơm tuần hoàn này tiếp tục cho đến khi nước trong bồn bảo ôn đạt đến nhiệt độ nhất định. Máy hoạt động nhờ thiết bị điện điều khiển, nên những khi trời không có nắng vẫn có thể sử dụng nước nóng.  Ưu điểm:  Có thể đặt ở mọi vị trí (không nhất thiết phải có bồn cấp nước đặt cao hơn) nhờ có một hệ thống bơm nước cùng hệ thống điều khiển điện tử đi kèm.  Có bộ điều khiển nhiệt tự động.  Nhược điểm:  Không hoạt động khi mất điện do yêu cầu bắt buộc phải có điện để điều khiển hệ thống.  Máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời dạng tấm có khả năng tản nhiệt ra môi trường do đó hiệu suất kém hơn các loại còn lại.  Có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao. Hiện nay giá giao động từ 20 đến 80 triệu/máy. SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 9 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng tấm phẳng. 1.4 Tính cần thiết của đề tài Đun nước nóng dùng năng lượng Mặt Trời là một công nghệ khá phát triển và có giá trị thương mại đã được áp dụng trên cả quy mô hộ gia đình cũng như quy mô công nghiệp. Các hộ gia đình và doanh nghiệp sẵn lòng đầu tư vào bình đun nước nóng sử SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 10 Chương 1 Nghiên Cứu Tổng Quan GVHD: TS. Lê Khánh Điền dụng năng lượng Mặt Trời vì có thể tiết kiệm hoá đơn tiền điện. Bên cạnh đó, việc sử dụng năng lượng Mặt Trời cho đun nước cũng được khuyến khích cao trong quân đội. Vụ khoa học kỹ thuật thuộc Bộ Quốc phòng đang trao đổi nghiên cứu và xúc tiến việc sử dụng năng lượng Mặt Trời trong quân đội. Cho đến nay, có khoảng 10 hệ thống đun nước sử dụng năng lượng Mặt Trời được lắp đặt trong các trường và cơ sở quân đội, đặc biệt đối với các đơn vị trên các vùng hải đảo. Tuy nhiên, việc ứng dụng đun nước sử dụng năng lượng Mặt Trời ở Việt nam vẫn còn thấp. Chỉ có 60 hệ thống tập thể và khoảng trên 5.000 hệ thống hộ gia đình đã được lắp đặt. Khoảng 90% hệ thống đun nước sử dụng năng lượng Mặt Trời là được sử dụng ở các đô thị và 5% ở vùng nông thôn. Xấp xỉ 99% các hệ thống này là do hộ gia đình đầu tư và 1% thuộc về các cơ sở công cộng như bệnh viện, nhà trẻ mẫu giáo, bệnh viện, trường học, khách sạn và nhà hàng. Các hệ thống bình đun với diện tích các tấm pin Mặt Trời từ 10 đến 60 m2 có thể cung cấp hàng ngày từ 1 đến 5m3 nước nóng với nhiệt độ khoảng 50oC đến 70oC. Hệ thống bình nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời quy mô hộ gia đình với diện tích các tấm pin khoảng 1-2m2 thì có thể cung cấp khoảng 100 đến 300 lít nước nóng ở nhiệt độ từ 40oC đến 70oC [4]. Mặt khác, các máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời hiện có trên thị trường chỉ ứng dụng vào việc tắm rửa, vệ sinh là chủ yếu. Nhiệt độ nước nóng thu được dao động từ 45o đến 80o và không ổn định, nên không thể đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh để sử dụng vào các mục đích khác như chế biến thực phẩm, sử dụng làm nước uống,… Vì vậy việc tìm hiểu, cải tiến và mở rộng ứng dụng của máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời là cần thiết. SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 11 Chương 2 Yêu Cầu Kỹ Thuật GVHD: TS. Lê Khánh Điền CHƯƠNG 2: YÊU CẦU KỸ THUẬT 2.1 Đối tượng khách hàng và nhu cầu  Đối với hộ gia đình: - Máy phải có khả năng làm nóng nước đến điểm nhiệt độ sôi. Dễ dàng vận chuyển, bảo quản trong kho khi không sử dụng. - Vận hành đơn giản, không chiếm nhiều không gian bố trí. Cho phép biết được nhiệt độ nước.  Đối với đơn vị sản xuất và vận chuyển: - Sản phẩm tạo ra nếu có năng suất thấp hơn các sản phẩm khác phải đảm bảo giá thành thấp hơn. - Phương pháp gia công đơn giản. Khi chế tạo hạn chế phải thay thế dụng cụ hay gá đặt nhiều lần, dễ dàng sản xuất hàng loạt. - Kích thước máy giới hạn nằm trong khả năng vận chuyển hiện tại.  Đối với cơ quan quản lý nhà nước: - Khi máy hoạt động, tác động tiêu cực đến môi trường (nếu có) phải nằm trong qui chuẩn cho phép. - Nước sau khi đun phải đạt các tiêu chuẩn quốc gia về an toàn thực phẩm trước khi buôn bán kinh doanh. - Đảm bảo an toàn lao động khi vận hành. - Khi máy được thiết kế và vận hành chủ yếu bằng nguồn năng lượng sạch, sẽ được sự ủng hộ từ phía cơ quan nhà nước. 2.2 Tiêu chí thiết kế - Đun sôi được nước, năng suất tối thiểu 200 l/ngày. - Kích thước máy không quá lớn. - Quá trình đun không làm hoà lẫn tạp chất có hại hoà vào nước. - Hệ thống đơn giản, kết cấu có khả năng làm việc ở môi trường nhiệt độ tương đối cao. - Thời gian đun không quá dài. - Phải có bình bảo ôn để giữ nhiệt cho nước sau khi đun. - Có hệ thống van và cơ cấu đảm bảo an toàn, chống cháy nổ. SVTH: Lê Minh Trí – MSSV:1513658 12