Bài giảng - Cơ điện nông nghiệp-chương 6

Chia sẻ: Norther Light | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

127
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 6 NĂNG LƯỢNG MỚI 6.1. NĂNG LƯỢNG M ẶT TRỜI Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, không có khí thải, không gây ô nhiễ m môi trường. Tuy nhiên, nguồ n năng lượng này có những nhược điể m cơ bản là phân tán (mật độ năng lượng rất thấp) và không liên tục (không thu được vào ban đêm và lúc trời mưa). Việt Na m là nước nhiệt đới có số giờ chiếu nắng cao. Vì vậy, sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để bổ sung cho nhu cầu năng...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng - Cơ điện nông nghiệp-chương 6

Chương 6 NĂNG LƯỢNG MỚI 6.1. NĂNG LƯỢNG M ẶT TRỜI Bức xạ mặt trời là nguồn năng lư ợng sạch và vô tận, không có khí thải, không gây ô nhiễ m môi tr ường. Tuy nhiên, nguồ n năng lượng này có những nhược điể m cơ bản là phân tán (mật độ năng lư ợng rất thấp) và không liên tục (không thu được vào ban đêm và lúc tr ời mưa). Việt Na m là nư ớc nhiệt đới có số giờ chiếu nắng cao. Vì vậy, sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để bổ sung cho nhu cầu năng lượng chung của đất nư ớc sẽ có tầm q uan trọng rất lớn. Từ Nghệ Tĩnh tr ở ra có từ 1700 đến 1800 giờ nắng/năm và tổng lượng bức xạ có từ 100 đến 120 kcal/cm2 . nă m. Từ Đà Nẵng trở vào có từ 2000 đến 2500 giờ nắng/nă m với tổng lư ợng bức xạ tương đ ối cao, từ 125 đến 175 kcal/c m2 .năm. Các biện pháp thu năng lư ợng mặt trời phục vụ sản xuất, đời sống là : - C huyển bức xạ mặt trời sang nhiên liệu thực vật nhờ thực hiện quá tr ình quang hợp (trồng cây là m chất đốt, trồng cây lấy hạt có dầu, ...) - C huyể n bức xạ mặt trời thà nh điện năng nhờ các pin mặt trời (sử dụng hiệu ứ ng quang điệ n biến đổi trực tiếp năng lư ợng mặt trời thành dòng điện). - C huyể n bức xạ mặt trời thành nhiệt nă ng (hiệu ứng quang nhiệt), đây là p hương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực sử dụng năng lư ợng mặt trời. Trong nhiều thiết bị, hiệu suất chuyển đổi có thể đạt trên 60%. Nhiệt năng tạo thành có thể sử dụng c ho nhiều mục đích như nấu nư ớng, đun nóng nước hay các chất lỏng khác, sấy các sản p hẩ m, là m lạ nh và điều hòa không khí. 6.1.1. Điệ n năng từ năng lượng mặt trời Việc tranh luận về những nguồn năng lượng mới đ ể bổ sung vào những dạng năng lượng đ ã biết càng tr ở nên sôi động trong những năm gần đây, khi nguồ n nhiên liệu dầu mỏ ngày càng khan hiế m. Ngư ời ta đang mo ng đợi vào những dạng năng lượng sạch, có tiề m năng lớn nhưng ít đư ợc kha i thác. Điệ n mặt trời có thể đáp ứng những mong đợi đó, do có tính đ ơn giản của hệ thống, không cần chăm sóc bảo dư ỡng, k hông là m hại mô i trư ờng và khả năng ứng dụng rộng r ãi. Gần đây xuất hiện nhiều hệ thống pin mặt trời đã được thử nghiệ m, làm việc c hắc chắn đối với các ứng dụng k hác nhau trong một phổ công suất rộng sau đây: - Các máy phát mini cho đ ồng hồ và má y tính b ỏ túi ở vùng mili oát. - Các hệ thống cung cấp điện nhỏ ở gia đ ình ho ặc lều trại ở vùng Oát. 130
- Các hệ thống cung cấp điện cho làng xã hoặc các hệ thống bơm nư ớc trong vùng kiloOát. - Các tr ạm phát điện mặt trời liên k ết với lư ới điện trong v ùng mê gaOát. Tất cả các hệ thống này phụ thuộc vào sự cung cấp năng lượng mang tính thay đổi c ủa mặt trời nên việc đánh giá tính kinh tế theo vùng sử dụng có ý nghĩa quyết định. N hiều nơi trên thế giới đang hình thành các khu nhà, thành phố sử dụng năng lượng mặt trời. Ví dụ, ở Ota, thành phố nhỏ nằ m phía Na m thủ đô Tokyo của Nhật Bản, tất cả 550 căn nhà đều có mái là các panen pin mặt trời nối với hệ thống ắc quy, đ ủ cung cấp điện cho cả ngày và đê m. Ở Anh, đã xây dựng các khu nhà sinh thái ch ỉ d ùng nă ng lư ợng tự nhiên, và đang có đề án xây dựng khu toà tháp ch ỉ d ùng năng lượng mặt trời cho hàng nghìn c ư dân sinh sống. 6.1.1.1 N guyên lý làm việc của pin mặt trời Bước 1 â m tính lớp n lớp p dương tính Bước 2 đ iện tíc h dương lớp n Prôton tiếp xúc p- n Điệ n tử lớp p đ iện tíc h â m Điện tử tự do Bước 3 Mặt trời p hôton Lỗ trống lớp n tiếp xúc p- n lớp p Bước 4 điện trở tự do tải điệ n Hình 6.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 131
N hờ hiệu ứng quang học đ ã biết, năng lư ợng ánh sáng mặt trời đư ợc chuyển đổi trực tiếp thành năng lư ợng điện trong pin mặt trời. Cơ s ở của nguyên lý là các c ơ cấu vật lý điệ n tử trong kỹ thuật transitor của vật liệ u bán dẫn. P in silic tinh thể là một đĩa d ày kho ảng 250 µm có pha thê m Bor, mặt trư ớc của đ ĩa chứa phosphor khuếch tán với độ sâu khoảng 0,3 µm phosphor tác động trong lớp mỏng silic tạo ra một lư ợng dư electron d ẫn, nhờ đó lớp này tr ở thành lớp dẫn. Ở phần còn lại của đĩa đư ợc tạo ra một lư ợng dư lỗ trống, do đó trở thành lớp dẫn p. Mặt trư ớc c ủa đĩa silic có tiếp xúc dạng ngón với kim loại, nhờ đó có thể cho ánh sáng đi vào nhiề u nhất. Mặt sau tiếp xúc với kim loại trên toàn b ề mặt. Bề mặt được phủ một lớp c hống phản xạ để giữ hao tổn phản xạ ở giá trị nhỏ. Ánh sáng mặt trời chiếu vào tạo ra các mặt electron- lỗ trống. Mật độ các cặp e lectron- lỗ trống phụ thuộc vào cường độ và s ự hợp phổ của ánh sáng chiếu vào. Các đ iện tử và lỗ trống khuếch tán qua tinh thể và đư ợc tách ra nhờ tương tác c ủa v ùng p hân cách. Các electron đư ợc dẫn về mặt tr ước còn các lỗ trống được dẫn về sau. Tấ m kính phía tr ên Tấ m keo EVA Lớp các pin mặt trời đã hàn ghép đ iện Tấ m keo EVA Tấm đáy Hình 6.2. C ấu tạo của một tấm pin mặt trời Dòng quang điện phụ thuộc vào: - S ố cặp electron- lỗ trống được tạo ra + Sự hấp thụ ánh sáng + Sự hụt năng lượng giữa lớp hóa trị và lớp dẫn (Eg) - Sự tách các cặp electron- lỗ trống nhờ điện trường nội tại. + Độ dài khuếch tán + H iệu suất góp phụ thuộc vào đ ộ tinh khiết của vật liệ u. Sự biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện không đạt đ ược 100% do c òn có những hao tổn sau: Hao tổn phả n xạ, năng lư ợng không đủ của các phôton chiếu tới, hao tổn nhiệt bởi các phôton có năng lượng quá cao, sự liên k ết lạ i của các cặp e lectron- lỗ trống và hao tổn điện trong pin. Hiệ n nay đối với các pin mặt trời silic tinh 132
thể đã đạt đư ợc trong phòng thí nghiệ m hiệ u suất trên 20%, trong chế tạo hàng loạt đạt hiệu suất khoảng 14% với điện áp hoạt động 0,5 vôn và dòng đ iện 3 0mA/cm2 . Để đạt được điện áp cao cần phải nối tiếp nhiều mảng pin với nhau thà nh một panen pin mặt tr ời với điện thế tiê u chuẩn. 6.1.1.2. Các d ạng pin mặt trời Có thể phân chia khái quát thành hai lo ại pin mặt trời, đó là lo ại lớp dày và lo ại lớp mỏng. * P in mặt trời lớp d ày: Trên cơ s ở nghiê n cứu, các pin mặt trời lớp d ày chế tạo từ silic tinh thể đang đư ợc p hổ biến rộng r ãi. Ngư ời ta chia nó là m hai lo ại: Pin mặt trời silic đ ơn tinh thểvà pin mặt trời silic đa tinh thể. Các pin mặt trời silíc đơn tinh thể được chế tạo hàng loạt, có hiệu quả cao. Đối với một pin mặt trời ở điều kiện tiê u chuẩn (nhiệt độ 25 0 C, công suất bức xạ G = 1000W/m2 , phổ bức xạ/khối lượng không khí = 15) có hiệu suất khoảng 13- 16%. K ỹ thuật chế tạo pin mặt trời silic đa tinh thể đ ược mô tả như sau: silic lỏng, tinh thể được rót và là m lạnh thành khối có chiề u dài c ạnh đến 40c m. Nhờ đó tạo ra một số lư ợng giới hạn các tinh thể đư ợc định hướng. Các khối sau đó đư ợc cắt tương ứ ng với hướng tinh thể có chiề u dà i 10- 15cm và tiếp tục thành đ ĩa (tấm) có chiề u dày 0,4mm. Pin silic đa tinh thể có quá tr ình chế tạo đ ơn giả n và có chi phí giả m thiểu nên có hiệ u suất quang điện thấp, chỉ đạt 10- 12%. Tấm kính phủ phía trên Tấm keo EVA Hình 6.3 Lớp pin mặt trời Mặt cắt panen pin mặt trời Tấm keo EVA Tấm đáy 133
* Pin m ặt trời lớp mỏng Q uá trình chế tạo các pin mặt trời cực mỏng từ silic vô định hình có chiều dày lớp khoảng 1 µm, đư ợc gọi là pin mặt trời lớp mỏng. N hờ quá tr ình tách pha khi ở 1 500 C đư ợc các lớp silic vô định hình dày kho ảng 1 µm. Do có tính chất hấp thụ đặc biệt so với silic tinh thể mà các lớp vô định hình cực mỏng có thể hấp thụ ho àn toàn các phôton. Đối với pin mặt trời chế tạo từ chất bán dẫn liên kết, các lớp hoạt tính của nó là hỗn hợp của các vật liệu bán dẫn khác nhau, thí dụ galli- arsen, cadmiunfid- đ ồng s unfid, đ ồng- indi- selen ho ặc silic- germani, trong đó pin mặt trời lớp mỏ ng chế tạo từ bán d ẫn liê n kết đồng- indi- selen (CiS) có triển vọng phát triển nhất. Ưu thế c ơ b ản so với silic tinh thể (lớp d ày) c ủa loại này là có k ết cấu lớp rất mỏng (2 đến 3 µm), điều này cho khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn. 6.1.1.3 Cấu tạo chung một hệ thống điện mặt trời Một hệ thống pin mặt trời cần có các bộ phận ph ù hợp sa o cho năng lư ợng điện tạo ra có thể đ ược chuyể n đổi, lưu trữ và s ử dụng một cách tối ư u. C ấu tạo chung một hệ thống pin mặt trời bao gồm: - N guồn điệ n mặt trời (từ một hay nhiề u môđun) - Acqui - Bộ điề u chỉnh nạp - P hụ tải Hình 6.4 C ấu tạo của một hệ thống điện mặt trời (12V, một chiều) Sử dụng hệ thống điện mặt trời rất có ý nghĩa trong những điều kiện nhất định: - Phù hợp các vùng có thời gian nắng nhiều trong nă m. - Ở những nơi không có lư ới điện. 6.1.2. Nhiệ t năng từ năng lượng mặt trời (quang nhiệt) Biến đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng là một phương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực sử dụng năng lư ợng mặt trời. Sự chuyển đổi năng lư ợng mặt trời có thể thực hiệ n với hiệ u suất cao nhờ các bộ góp nhiệt (các colector) ở nhiệt độ thấp và cần c hi phí chế tạo không lớn. Trong nhiều thiết bị, hiệu suất chuyển đổi có thể đạt trên 134
60%. Nhiệt năng tạo thành có thể sử dụng cho nhiề u mục đích khác nhau như nấu nướng, đun nóng nước hoặc các chất lỏng khác, sấy nông sản hoặc sản phẩm công nghiệp, là m lạnh hoặc điều hòa không khí. 6.1.2.1. Nguyên lý chuy ển hóa quang nhiệt Các biện pháp nhằ m chuyển bức xạ mặt trời sang nhiệt năng gọi là quá trình c huyển hóa quang nhiệt. Quá tr ình này d ựa vào một trong hai nguyê n lý sau: * N guyên lý h ội tụ bức xạ tiêu điểm, gồm hội tụ theo điểm v à h ội tụ theo đường - Loại hội tụ theo điể m là các thiết bị d ùng gương c ầu lõ m có d ạng paraboloit tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao, nhờ vậy tập trung ở tiêu điể m nhiệt độ từ vài trăm đến trên 3000 0C. Ngư ời ta đã ứ ng dụng và đưa vào sản xuất một loại bếp kiểu này như ng không thuận tiện vì phải đun nấu ngoài trời nắng. Tuy nhiên đối với những ngư ời hoạt động tr ên sa mạc thì dùng bếp kiểu này r ất thuận lợi và có hiệu quả cao. - Loại hội tụ theo đư ờng là các thiết bị d ùng gương h ình lòng máng dài, mặt cắt nga ng có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong là m hội tụ bức xạ mặt trời theo đư ờng tiêu cự. Nếu tại đ ư ờng tiêu c ự đặt một ống d ài cho nư ớc đi qua th ì nước sẽ đ ược đun nóng lên. Thiết bị chuyển hóa quang nhiệt là m việc theo nguyên lý hội tụ ít đ ư ợc phổ b iến do có một số như ợc điể m sau: + Mặt phản xạ nhan h bị mờ sau thời gia n là m việc do đó hiệu suất giảm nhanh. + P hải thư ờng xuyê n xoay mặt phản xạ theo hư ớng mặt trời, nếu d ùng thiết bị tự động thì giá thành cao, xoay thủ công không thuậ n tiện. + Thiết bị chỉ thu đư ợc phần trực xạ (các tia nắng trực tiếp) c òn phần tán xạ th ì k hông thu đư ợc, nếu khi bị mây che khuất thì thiết bị không thu đ ược năng lư ợng. * Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính Bộ phận thu nhiệt là một hộp có phần nắp đậy là vật liệu trong suốt như kính hoặc vật liệu tổng hợp (mà ng mỏng polyetilen ho ặc nhựa cứng), mặt đáy là kim loại được bôi đen (có thể d ùng sơn đen tr ộn với bồ hóng hoặc vật liệu tương tự để tạo mặt đen không bóng). Khi b ức xạ mặt trời chiếu qua mặt trong suốt thì hầ u như toàn bộ phổ bức xạ xuyên qua vào trong hộp là m nóng b ề mặt bôi đen. Mặt đen hấp thụ nhiệt và p hát ra bức xạ nhiệt, nếu không có nắp trong suốt ngăn lại thì bức xạ nhiệt sẽ tản ra môi trường và nhiệt độ của mặt hấp thụ sẽ ổn định ở nhiệt độ không cao là 70 0 C. Nhờ có nắp trong suốt ngăn bức xạ có bư ớc s óng dài nên nhiệt độ trong hộp tăng cao dần. Nếu tăng số nắp trong suốt lê n hai ho ặc ba lần thì nhiệt độ trong hộp c àng cao. Hộp thu nhiệt kiểu này thu được cả tán xạ khi trời có mây, không mưa. 135
Tùy thuộc vào lo ại vật liệu cần đốt nóng mà kết cấu d òng chuyển động của chất mang nhiệt khác nhau. Đối với chất lỏng, dòng chuyển động có thể được thiết kế như trên hình 6- 5. Đối với chất mang nhiệt là không khí có thể bố trí d òng khí đ i qua c ả p hía trên và phía dư ới. Nguyên lý bẫy nhiệt do đó có thể đư ợc ứng dụng đ ể sấy khô sản p hẩ m nông nghiệp hoặc để đun nước nóng. 1 2 3 4 5 6 Hình 6.5 Sơ đồ nguyên lý hộp thu nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính (2 lớp kính). 1- Lớp kính dưới; 2 - Bề mặt đen thu nhiệt; 3- lớp kính trên; 4- V ật liệu cách nhiệt 5- Các đường ống dẫn chất lỏn g mang nhiệt; 6- V ỏ đáy hộp thu nhiệt. Để sấy sản phẩ m ngư ời ta cho không khí đi qua hộp thu nhiệt. Không khí tiếp xúc với các phần tử hấp thụ được là m nóng lê n và được đưa vào buồng sấy nhờ đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cư ỡng bức. Để tăng nhiệt độ trong bộ góp nhiệt không khí có thể áp d ụng các biện pháp là m tăng diện tíc h hấp thụ nhiệt như dùng mặt có dạng uốn sóng, có lá thu nhiệt,... Để đun nư ớc, có thể cho nước chảy qua mặt dư ới của bề mặt hấp thụ, có thể là giàn ố ng có gắn các cánh hấp thụ nhiệt. 6.1.2.2. C ấu tạo, nguy ên tắc làm vi ệc của một số thiết bị chuyển đổi quang nhiệt * Các b ộ góp nhiệt phẳng Bộ góp nhiệt hay c òn gọi là colector là bộ phận cơ b ản của mọi thiết bị d ùng năng lượng mặt trời sang các dạng năng lượng hữu ích khác. Colector p hẳng có mặt hấp thụ ánh sáng là phẳng. Mặt phẳng này đồng thời là mặt hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng bức xạ. Cấu trúc colector phẳng rất đơn giả n, chỉ là một mặt phẳng bôi đen đ ạt trên một lớp cách nhiệt. Do tính chất hấp thụ ánh sáng của vật đe n, nó có thể nóng lên đến 60 - 70 0 C. Sau đó nếu vẫn tiếp tục đư ợc chiếu sáng, mặt hấp thụ sẽ k hông nó ng lên nữa, nhiệt độ cao nhất có thể đạt đ ư ợc gọi là nhiệt độ cân bằng. S ở dĩ nhiệt độ dừng lại ở nhiệt độ cân bằng là do khi nóng lên chính mặt hấp thụ lại trở thành vật bức xạ hồng ngoạ i đồng thời lại c òn truyền nhiệt ra môi tr ư ờng (nếu có nhiệt độ thấp hơn) theo cơ chế dẫn nhiệt và đối lưu. Như vậy ở nhiệt độ cân bằng năng lượng nhận vào đúng b ằng năng lượng thả i ra. Muố n tăng nhiệt độ cân bằng hoặc phả i 136
tăng mật độ dòng năng lượng tới hoặc giả m hao tổn nhiệt năng bằng cách đặt lên mặt bôi đen một vài lớp che trong suốt thích hợp. Các lớp che trong suốt cho bức xạ mặt trời đi qua dễ d àng song lại cản bức xạ hồng ngoạ i phát ra từ vật do đó có tác dụng n hư là một bẫy nhiệt. Nhờ bố trí các nắp c he trong suốt mà nhiệt độ cân bằng có thể lên tới 90 - 100 0C. Ngoài ra để tăng hiệu q uả của mặt hấp thụ có thể uốn thành dạng gợn sóng hoặc sử dụng chất bôi đen đặc b iệt gọi là chất hấp thụ chọn lọc. Các loại mặt hấp thụ này s ẽ hấp thụ rất mạnh bức xạ có bư ớc sóng thuộc giả i phổ ánh sáng mặt trời song lạ i bức xạ hồng ngoại ít hơn nhiều so với mặt hấp thụ bôi đen bằng vật liệu thông thư ờng ở cùng nhiệt độ. Do đó cân bằng năng lượng nằ m ở nhiệt độ khoảng 170 - 1 80 0 C. N hìn chung colector phẳng có nhiệt độ làm việc không cao nhưng r ất dễ chế tạo và có giá thành r ẻ, sử dụng dễ d àng, làm việc đư ợc cả trong điều kiện bức xạ trực tiếp hay khuếch tán. *. Bộ góp nhiệt zic- z ắc Để khắc phục nhược điể m của colector phẳng n gười ta đ ã thiết kế loại colector z ic zắc gồ m các lá kim loại bôi đen ghép lại với nhau. Nhờ vậy colector zic zắc có thể bẫy hầu hết các tia nắng kể cả lúc sáng sớm và khi chiều muộ n, do đó nó có thể cấp nhiệt lâu h ơn theo thời gian trong ngày. C ấu trúc của colector zic zắc là m giả m mạnh dòng nhiệt đối lưu làm giả m hao tổn nhiệt và tạo điều kiện truyề n nhiệt lớn nhất cho c hất mang nhiệt. *. Các b ộ góp nhiệt hội tụ K hi mặt nhận là mặt phản xạ (không phải là mặt hấp thụ) tập trung bức xạ về một điểm (vùng hẹp) hoặc một dải thì đó là một colector hội tụ. Muốn sử dụng năng lượng bức xạ cần đặt một vật hấp thụ tại vùng tập trung ánh sáng. Người ta thư ờng gọi mặt nhận là b ộ phản xạ hay bộ hội tụ, còn vật hấp thụ là bộ nhận, lúc đó colector hội tụ được hiể u là tổ hợp của bộ nhậ n và b ộ hội tụ. Bộ hội tụ đả m nhận việc tập trung d òng năng lượng còn b ộ nhậ n chuyển đổi dòng năng lư ợng thành dạng năng lư ợng thích hợp. Colector với bộ hội tụ dạng mặt tr òn xoay có đ ộ hội tụ cao, có nghĩa là có tỉ số giữa diện tích qui phẳ ng c ủa mặt hội tụ với diện tích hấp thụ của mặt nhận cao. Do đó c ho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng ngà n đ ộ, song như đã phân tích loại này khó chế tạo và sử dụng. Colector tr ụ có mặt phản xạ là mặt trụ có độ hội tụ trung b ình, tập trung bức xạ thành một dải sáng với nhiệt độ khoảng 350 - 500 0 C. Colector tr ụ có rất nhiều ưu đ iểm: dễ chế tạo và qui mô lớn. Nếu colector đủ dài có thể đặt theo một hư ớng xác đ ịnh, không đ òi hỏi điề u chỉnh thư ờng xuyê n, phần mất mát năng lư ợng không đáng kể. Hiện nay có nhiều phương án s ử dụng năng lư ợng mặt trời trên qui mô lớn đ ã đề 137
cập đến colector hộ i tụ. Đặc biệt để đun nư ớc, colector hội tụ dùng r ất thíc h hợp và cho hiệu suất cao (60 - 70%), vì có thể sử dụng dễ d àng hiệ u ứng lồng kính với bộ nhận. Theo số liệu thực nghiệ m cho thấy với một colector trụ có diện tích hứng nắng qui p hẳng 1 m2 vào ngày nắng trung bình có thể đun sôi 3 lít nư ớc trong thời gian 20 - 30 p hút. Thiết bị có thể hoạt động từ 8 giờ sáng đến 16 giờ chiề u và đạt năng suất 50 - 60 lít/ngày. 6.1.2.3. Ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy nông sản *. Đặc tính của các collector không khí Để sử dụng năng lư ợng mặt trời trong lĩnh vực sấy khô sản phẩ m, năng lư ợng mặt trời thường đư ợc chuyể n đổi thành dòng nhiệt năng của chất mang nhiệt là không k hí. Không khí ma n g nhiệt được đưa đến các bộ phận sấy (trực tiếp hoặc giá n tiếp) để là m khô s ản phẩm. Đả m nhậ n việc trao nhiệt là các collector không khí. Các collector k hông khí đư ợc thiết kế khác nhau sẽ cho hiệu suất khác nhau. Hiệu suất của collector k hông khí phụ thuộ c vào vật liệu, khả năng hấp thụ, độ cách nhiệt và do đó s ẽ phụ thuộc giá trị hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt k, nếu k < 5 w/m2 s ẽ cho hiệu suất cao với khoảng nhiệt độ rộng. Với nhiệt độ thấp của d òng không khí, các collector đơn giả n rất phù hợp với việc sấy hạt nông sản. Các kiểu máy sấy loại này có hiệu suất cao ứng với độ chênh lệch nhiệt độ và đ ộ ẩm môi trường nhỏ. Các collector có lớp kính kép, vỏ đư ợc che phủ, thậ m chí có cách nhiệt chân k hông c ũng không thể hoạt động tốt hơn trong dãy nhiệt độ thấp do việc mất mát nhiệt. Tuy nhiên, chúng lạ i là m việc có hiệu quả hơn trong khoảng nhiệt độ cao. Do đó các lo ại collector phức tạp, đắt tiền rất phù h ợp cho việc là m nó ng ngoài công việc sấy hạt. Đối với việc sấy hạt nông sản, theo các kết quả nghiên cứu có thể chấp nhận được hao tổn áp suất dòng khí qua collector ở k hoảng 30- 4 0mm c ột nước. *. S ấy bằng năng lượng mặt trời Ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy khô đ ã đư ợc sử dụng từ lâu đời. Sản phẩm thường đ ư ợc rải thành lớp mỏng phơi dư ới nắng mặt trời. Ban ngà y sản phẩ m được đảo trộn định kỳ, ban đ êm được che phủ nhằ m đạt đư ợc độ khô đồng đều và rút ngắn thời gian sấy. Phương pháp này thường kéo d ài từ 2 đến 8 ngày. S ản phẩ m sau khi sấy thường bị nhiễ m bẩn và b ị vi khuẩn, nấ m, mốc xâ m nhập. Việc sấy bằng năng lư ợng mặt trời trong hộp đư ợc che đậy sẽ cải thiện đư ợc hiệ u suất sấy và chất lư ợng sản p hẩ m cũng như tiết kiệ m lao động. Bộ phận sấy bằng năng lượng mặt trời đ ơn giản là một hộp được che bằng tấm nắp trong suốt, tuy nhiên trong nhiề u trư ờng hợp bộ phận sấy kiểu nà y không tạo đủ cư ờng độ sấy. 138
Sấy khô nhờ năng lư ợng mặt trời với dòng không khí đối lưu tự nhiê n. Trong hệ thống sấy kiểu hút, vật liệ u sấy đ ược sử dụng như một collector. Không khí nằm giữa những lỗ hổng của sản phẩ m của lớp trên cùng được làm nóng lê n. Một phần năng lượng của không khí đi qua sản phẩ m là m b ốc hơi nư ớc. Do nhiệt độ ở cửa ra của k hông khí mặc dù đ ã giả m song vẫn c òn cao hơn nhiệt độ môi tr ư ờng nên được hút qua ố ng thải. 6.1.2.4. Sử dụng năng lượng mặt trời đ ể chưng l ọc n ước mặn N gười ta ư ớc lư ợng mức sử dụng nư ớc ngọt cho sinh hoạt ở nông thôn các vùng nhiệt đới là 20- 50 lít/ ngày/ ngư ời. Việc chưng lọc nước (ngọt và mặ n) có thể góp phần vào việc cung cấp nước sạch sinh hoạt cho các vùng khó khăn. Kính M ực nước Khay chứa Nước Nước biển n gọt ra vào Lớp cách nhiệt Hình 6.6 Sơ đồ nguyên lý thiết bị lọc n ước bằng năng lượng mặt trời kiểu 2 mái P hương pháp phổ biế n cho các thiết bị lọc nước là sự bay hơi, thẩ m thấu ngư ợc c hiề u. Thiết bị lọc nư ớc mặn đ ã đư ợc biết đến khoảng trên 100 năm na y với rất nhiều kết q uả lý thuyết và thực hành. Việc lọc nư ớc mặn bằng năng lư ợng mặt trời dựa tr ên nguyên lý bay hơi và ngưng đ ọng chất lỏng, (hình 6.6). N hiệt lư ợng chuyển pha nư ớc trong cả hai trư ờng hợp là như nhau và bằng 2430 kJ/kg. Năng lư ợng bức xạ mặt trời đưa đ ến một phần đ ư ợc hấp thụ bởi thả m, phần hao tổn do đối lưu, phần phản xạ và một phần hao tổn dẫn nhiệt. Thất thoát nhiệt chủ yếu là bức xạ nhiệt từ mặt nư ớc tới nắp bể lọc và bức xạ phản xạ từ đáy nước tới nắp hầ m. Mất nhiệt do dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt tới môi trư ờng xung quanh. Hiệ u suất của bể lọc nư ớc mặn bằng năng lư ợng mặt trời khoảng 30%. 139
Ố ng phân p hối nư ớc Năng lư ợng mặt trời Nư ớc vào Tấ m phủ Bậc thấ m Máng Cách nhiệt chứa Nư ớc ngọt Tấ m hấp thụ nhiệt Nư ớc thải Hình 6.7 Sơ đ ồ nguy ên lý thiết bị lọc nước kiểu bấc thấm K iểu bể lọc một hố phẳng là một kiểu thiết kế phổ biến. Nư ớc đư ợc là m nóng bằng các tia mặt trời chiếu vào, b ốc hơi và ngưng tụ lại dưới mái che trong suốt. Nư ớc ngưng chảy theo mái, r ơi xuống rảnh go m và được bơm lê n bể chứa. Độ sâu của nư ớc ở trong hố là 3- 5 cm. Với kiểu thiết bị này lư ợng nước đư ợc lọc tính cho 1m2 hấp thụ nhiệt là 3 lít/ngày... Thiết bị bốc hơi bằng nă ng lư ợng mặt trời kiểu bấc thấm hấp thụ năng lư ợng mặt trời tốt hơn, ho ạt động ở nhiệt độ cao hơn và có tốc độ lọc nư ớc cao hơn 5 lit/ngày. m2 . 6.2. NĂNG LƯỢNG TỪ VẬT LIỆU SINH HỌC - B IOM ASS 6.2.1 Khái niệ m về Biomass Việc sử dụng năng lư ợng từ Bio mass như gỗ, củi khô, cây cỏ, r ơm r ạ, phân k hô... đã biết đến từ lâu. Tuy nhiên Biomass đã b ị quên lãng do sự lấ n át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lư ợng cả về phương diện kỹ thuật, công nghệ lẫn tính ki nh tế. Theo lý thuyết, năng lư ợng hữu ích đư ợc lấy ra từ khối lượng Bio mass trên trái đất gấp k ho ảng 6 lần nhu cầu năng lượng hiện na y trên thế giới. Tuy nhiên đ ể có thể thay thế nhiê n liệu hóa thạch bằng năng lượng từ Bio mass là một vấn đề lớn và lâu dài. H iện 140
nay s ản xuất năng lượng từ những chất thải hữu c ơ ch ỉ có ý nghĩa bổ sung vào nguồn năng lượng chính (dầu mỏ, khí đốt và tha n đá) và có ý nghĩa lớn hơn về môi trư ờng. Nói chung Bio mass có thể chế biến thành các d ạng nhiên liệ u rắn, nhiên liệu lỏng và nhiê n liệ u khí, không kể đến việc sử dụng dạng trực tiếp là m c ủi đun, nhóm lò... Vật liệu phế thải từ công nghiệp chế biến gỗ, các xenlulô phế thải từ nông - lâm nghiệp có thể dùng để chế biến thà nh nhiên liệu rắn hoặc khí. Các cây có dầu như cọ dầu, lạc, đậu tương,... cây chứa đ ường hoặc tinh bột có thể là m nguyê n liệu để sản xuất nhiê n liệ u lỏng và d ầu bôi tr ơn. Các chất thải hữu c ơ c ủa cây công nghiệp, thực phẩm hoặc cây xanh nhờ phân hủy yế m khí từng phần thành khí sinh vật - Biogas. Biogas có thể d ùng để đun nấu hoặc sử dụng cho động c ơ nhiên liệu khí sau khi đã tách lưu huỳnh. N hờ chuyển đổi nhiệt nghèo ôxy, từ nhiên liệu rắn có thể sản xuất ra một hỗn hợp khí đốt có nhiệt trị tương đ ối thấp gọi là khí yếu. Nếu sử dụng ôxy trong không khí dẫn vào lò hóa khí thì tạo ra được một loại hỗ n hợp khí có thành phần theo thể tích như sau: 1 0 - 1 5%H2 ; 20 - 3 0%CO; 2 - 1 5%CO2 ; 0 - 4 %CH4 ; 40 - 6 0%N2 Nếu sử dụng không khí giàu ôxy hoặc ôxy tinh khiết để hóa khí nhiê n liệu rắn thì có thể giả m hoặc loại bỏ thành phầ n Nitơ, thành phần "lo ãng" khí đ ốt sản xuất ra. 6.2.2. Sản xuất năng lư ợng từ Biogas 6.2.3.1 Khái niệm chung về Biogas Bio gas là sản phẩm của quá tr ình lên me n phân động vật và các loại phế thải hữu c ơ khác. Thành phần chủ yếu của Biogas gồ m khoảng 55- 70% Metan, 45- 30% CO2 và một phần nhỏ chất lưu hu ỳnh. Quá tr ình lê n me n vật liệ u hữu c ơ đ ể tạo thành Bio gas bao gồ m ba gia i đoạn sau: - Giai đoạn thứ nhất: Dư ới tác dụng của các enzym thủy phân, các chất hữu c ơ p hân tử lớn đ ư ợc phân giải thành các chất hữu c ơ phân tử nhỏ (axit béo, axit amin). - Giai đoạn thứ hai: Dư ới tác dụng của các vi khuẩn tạo axit, các chất hữu cơ p hân tử nhỏ đư ợc phân giải thành các axit béo d ễ bay hơi. - Giai đoạn thứ ba: Các axit béo dễ bay hơi đư ợc chuyể n hóa thành khí Metan (CH4 ) và khí Cacboníc (CO2 ) nhờ các vi khuẩ n sinh metan (Metanogen). Trong đó gia i đo ạn thứ hai và giai đo ạn thứ ba xảy ra d ư ới điều kiện yếm khí c hặt chẽ (kín hoàn toàn), ngư ời ta chia quá tr ình lê n men sinh metan thành hai pha như sau: 141
- P ha không kỵ khí (giai đoạn 1), các nguyên liệu để tạo Biogas đư ợc ủ ở bể hở. - P ha k ỵ khí (gia i đoạn thứ hai và thứ ba), quá tr ình sinh metan xảy ra trong k hông gia n kín hoàn toàn. Do vậy, để tạo thành Biogas người ta thiết kế hầ m ủ c ho cả ha i pha của quá tr ình lên men (ha i pha hỗn hợp hoặc có vách ngă n ha i pha) hoặc ủ nguyên liệu ở bể hở k ho ảng một tuần cho pha không kỵ khí rồi mới chuyển sang hầ m kín, như vậy sẽ giảm được thể tích của bể ủ kín. Sự tạo thành Biogas do hai nhó m vi khuẩn metanogen khác nhau đảm nhận, hoặc xảy ra ở 30- 35 0 C (mesophil) ho ặc xảy ra ở 55- 60 0 C (thermophil). Trong cả hai trường hợp cần thiết phải là m nóng nguyên liệ u. Bên c ạnh yêu c ầu bảo đả m thời gian p hân hủy đủ dài đ ể khai thác hết Biogas (không ít hơn 20 ngày) và giữ đúng độ pH ở k ho ảng trung tính còn yêu c ầu nguyên liệu phải được giàn đều trong hầ m phản ứng. Việc giàn đều nguyên liệu nhằ m giữ đúng sự đối xứng sinh học giữa các vi khuẩn acetogen và metanoge n cần thiết cho quá tr ình tạo thành Bio gas. 6.2.3.2 Nguyên li ệu để sản xuất Biogas N guyên liệ u để sản xuất Bio gas có thể là phân động vật, cây cỏ, r ơm rác, rau, c ủ, quả bỏ đi, phế thải hữu c ơ ở c ác đ ơn v ị sản xuất thực phẩ m, các bếp ăn... Đối với sự phân hủy về mặt nguyên lý thì các vật liệu chứa nhiều nư ớc sẽ phù hợp nhất. Nhiệt trị của Bio gas khi đốt cháy giả m đi khi hà m lư ợng nư ớc tăng. Việc thủy phân yế m khí xả y ra tốt nhất khi tỷ lệ C/N trong vật liệ u nằ m ở khoảng 30, vi k huẩn trong quá tr ình lên men s ử dụng C nhanh hơn N đ ến 30 lần. Việc tậ n thu Bio gas còn phụ thuộc mạnh vào lo ại vật liệu đưa vào phản ứng. Một số chất có thể không thủy phân đ ược như tr ấu..., độ chứa N và C có thể thay đổi theo tuổi và điều kiện phát triển của thực vật hoặc mức độ ăn uống, tuổi, chế độ nuô i nhốt của súc vật. K hả năng khai thác Biogas còn chịu tác động của thời gia n ủ. Nói c hung thời gian ủ tăng sẽ là m tăng khả năng khai thác Biogas. 6.2.3.3 Các b ộ phận chính của hệ thống sản xuất Biogas - Bể nạp liệ u: là nơi thu nhận nguyên liệ u và pha trộn thành dung d ịch lỏng tỷ lệ 50% với nước. Mức dung dịch tại bể nạp liệu là cao nhất rồi đến mức dung dịch của bể tạo áp và mức thấp nhất là trong hầm phân hủy. - Hầm phân hủy (hầ m phản ứng Bio gas), ở đó xảy ra quá tr ình tạo khí. Hầm p hân hủy là một thiết bị lưu giữ nạp liệu hàng ngà y ho ặc là thiết bị lưu chuyể n với nạp liệu định kỳ đảm bảo sinh khí liê n tục, cũng có thể hoạt động theo mẻ. Hầ m phân hủy cần hoàn toàn kín và có năng suất tạo khí biogas phụ thuộc dung tích của hầ m. Phần 142
trên c ủa hầm chứa khí, phầ n dư ới chứa dung d ịch phân hủy. Khi quá trình sản xuất khí đã hoàn thành chất liệ u đ ã phân hủy được lấy ra qua cửa thông với bể tạo áp. - Bể tạo áp: có mức dung dịch cao hơn hầ m phân hủy nhằm tạo ra áp suất khí Bio gas trong hầm phâ n hủy trong khoảng 1,2- 1,4 kG/cm2, thông qua cửa nối phía dưới d ung dịch. Bể tạo áp cũng là nơi lấy chất thải ra sau phân hủy (chủ yếu là nư ớc và các c hất vô c ơ còn lại). - Van và đư ờng ống dẫn khí gas đến nơi tiêu th ụ (bếp đun gas, chạy động c ơ khí gas, thắp sáng bằng đèn khí...) 6.2.3.4 Một số mẫu hầm biogas phổ biến Hầu hết các loại hệ thống Biogas có bể nạp liệu và b ể tạo áp có cấu tạo, nguyên lý là m việc c ơ bản giố ng nha u, chỉ khác về kết cấu của bể phân hủy. - Lo ại hầm nắp nổi: Lo ại này có phần chứa khí dạng vò m kín ở p hía trên bể p hân hủy, khi làm việc phần nắp vòm có xu hư ớng nổi tr ên dung d ịch. Nắp hầ m thư ờng d ùng vật liệu nhẹ như composít hoặc tôn, chất dẻo. Áp suất trong hầ m phụ thuộc diện tích mặt thoáng của dung dịch và khối lư ợng của nắp. - L oại túi khí: Phần chứa khí dạng b ao kín đ ặt rời với bể phân hủy gọi là túi khí. Túi khí thường d ùng là các loại bao chất dẻo hoặc thùng kim lo ại, co mposit. Loại này thường d ùng ở các vùng thấp lụt. Tuy nhiê n túi khí mau hư hỏng do ngoại cảnh. - Loại nắp cố định : Hầm và nắp hầm được xây dựng liề n bằng b ê tông, gạch, vữa trát kín phần chứa khí. Tr ên vòm có ố ng nối kín dẫn khí gas ra ngo ài. 4 9 3 Hình 6.8 Sơ đ ồ hệ thống biogas nắp cố3định kiểu vòm cầu Hầ m phân hủy nắp cố định có nhiề u loại, song phổ biến hơn c ả là loại vòm cầu và vò m tr ụ do có nhiều ưu điểm như : tự phá váng, bền vững và d ễ xây dựng. 143
Lư ợng nạp liệu hàng ngà y phụ thuộc dung lượng cũng như khả năng phân hủy c ủa hầm. Hầ m cần xây chìm trong đ ất để ổn định nhiệt độ trong hầ m và dễ nạp liệu (chất thải từ nền chuồng trại chảy vào thuận lợi). Người sử dụng cần tuân thủ quy tr ình công nghệ chặt chẽ để bảo đả m sự ổn định của hệ thống biogas. Với dung tích hầm k ho ảng 6- 8 m3 là đ ủ lư ợng khí đốt cho một nông hộ trong đun nấu hàng ngày (s ử dụng c hất thải c ủa 3- 6 người và 5- 10 đ ầu gia súc). ơ6.3. CÁC NGUỒN NĂNG LƯ ỢNG KHÁC N goài các nguồn năng lư ợng truyề n thống từ khoáng vật đư ợc con người khai thác và sử dụng với số lượng lớn (than đá, dầu mỏ..), gần đây do thiếu hụt năng lư ợng nên nhiều quốc gia quan tâ m nhiều đến các nguồn năng lư ợng mới có tiềm năng lớn c hưa đư ợc khai thác. Trong các nguồn năng lượng mới, ngoà i năng lư ợng mặt trời, năng lượng từ Bio mass, c òn có các nguồ n năng lư ợng khác, đó là năng lư ợng d òng c hảy của các sông suối, năng lư ợng gió, năng lư ợng sóng biển và thủy triều, năng lượng địa nhiệt. 6.3.1 Năng lư ợng dòng chảy của các sông suối: Động năng của dòng chảy các con sông đ ã tr ở thành nguồn năng lư ợng thủy đ iện chiế m đến 40% công suất phát điện trên thế giới. Đây là nguồn nă ng lư ợng sạch và có giá thà nh rẻ so với nhiệt điện. Những nhà máy thủy điện hiện nay đang đứng đầu về công suất phát điện, từ vài tră m Oát đ ến vài triệu kW. 6.3.2 Năng lư ợng gió: Do sự thay đổi khí hậu theo mùa của các v ùng lục địa và biển tạo thành gió. N hiều quốc g ia đ ã sử dụng sức gió để phát điện như Hà Lan, Mỹ, Úc. Ngư ời ta sử d ụng các tuốc bin cánh quạt để phát điện ở những v ùng có gió mùa đi qua ổ n định. Hiệ n nay đ ã có những tuốc bin phát điện công suất lên đ ến hàng nghìn kW. 6.3.3 Năng lư ợng sóng biển v à thủy t ri ều: Các quốc gia phát triển (Anh, Mỹ, Nhật, Pháp) đang triển khai nhiều mô h ình thiết bị sử dụng sóng biển để phát điện. Các nguyê n lý đã đư ợc thử nghiệ m như: “tường chắn sóng”, “rồng biển”, “con lắc sóng”, “cá mập” đ ã làm tiền đề cho nhiều dự á n lớn về xây dựng các nhà máy phát điện bằng sóng biển. Gần đây, Mỹ và Anh là hai q uốc gia đi đầu trong nghiê n c ứu ứng dụng dòng chảy của các dòng hả i lưu và thủy triều để phát điện. 6.3.4 Năng lư ợng địa nhiệt Sự chênh lệch nhiệt độ từ mặt đất với độ sâu vài km trong lòng đất lên đ ến hàng trăm độ C. Vấn đề sử dụng nguồn nhiệt này c ũng đang đư ợc nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đặt ra và trong tương lai gần sẽ có những trạ m thu nhiệt theo nguyê n lý tuần hoàn nư ớc đư ợc sử dụng ở các v ùng phù hợp. Năng lư ợng mới là nguồn năng lư ợng sạch, không gây ô nhiễ m môi trường và có trữ lư ợng vô c ùng lớn do tính tái tạo của nó. Hiện nay, một số công nghệ sử dụng 144
năng lượng mới đòi hỏ i chi phí cao nhưng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, thì năng lư ợng mới sẽ nhanh c hóng được ho àn thiện và giá thành s ẽ giả m dần. Ngoài ra, do sự cạn kiệt của năng lượng hoá thạch nên cơ hộ i cạnh tranh của năng lư ợng mới là một hiệ n thực. C ùng với nhiều chính sách mới của Nhà nư ớc, hy vọ ng trong thời gian tới, Việt Nam sẽ là một trong những nư ớc phát triển mạnh các nguồn năng lư ợng mới. Đây cũng là sự lựa chọn đúng đắn cho tương lai. 145
L ời nói đầu Bài gi ảng Cơ điện Nông nghiệp được bi ên soạn theo đề cương chi ti ết thuộc khung chương trình của Dự án NUFFIC tại khoa Nông học, trường Đại học Nông Lâm Huế. Bài gi ảng Cơ đi ện Nông nghiệp nhằm trang bị cho sinh vi ên ngành K hoa học cây trồng, Khoa h ọc nghề vườn v à sinh v ật cảnh, (bao gồm hệ dài hạn tập trung, hệ vừa học vừa làm và một số hệ khác) của Trường Đại học Nông Lâm Huế, nh ững kiến thức v ề cơ đi ện nông nghi ệp, giúp cho họ nắm vững vai trò, tầm quan trọng của cơ đi ện trong sản xuất nông nghiệp, thấy r õ tính ưu việt của việc cơ khí hóa, điện khí hóa các qúa trình sản xuất. Trên cơ sở đó nâng cao trình độ tổ chức, quản lý và hi ệu quả sử dụng các loại máy móc, thi ết bị dùng trong nông nghi ệp. Ngoài ra, nó còn là tài li ệu tham khảo đối với các cán bộ khoa học kỹ thuật quan tâm đến lĩnh vực này. Trong bài giảng này, có sử dụng nguồn tư li ệu chính từ Giáo trình Cơ đi ện nông nghiệp(2006) do PGS -TS Phan Hòa (chủ biên) và TS Đinh Vương Hùng biên soạn. Chúng tôi trân trọng cám ơ n các bạn đồng nghiệp đã đóng góp những ý kiến quý báu trong quá trình biên so ạn b ài giảng này. Chắc chắn t ập "Bài giảng Cơ điện nông nghiệp" c òn có những k hi ếm khuy ết nhất định. Chúng tôi hy vọng nhận được nhiều ý kiến đóng góp của bạn đọc để cập nhật và đi ều chỉnh được hoàn thi ện hơn. TS Đinh Vương Hùng