Báo cáo khoa học: Bước đầu nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời trong đun nước nóng dùng cho sinh hoạt

Chia sẻ: Nguyễn Phi Nhung Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

125
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các thiết bị đun n-ớc bằng năng l-ợng mặt trời là loại hình công nghệ đ-ợc sử dụng rộng rãi ở trên thế giới. Giá thành của các thiết bị này ở Nhật Bản là 300-400 USD, ở Nepal, Zimbabwe: 600-800 USD, ở Israel: 500-600 USD, ở Kenya: 1100 USD, Trung Quốc: từ 1200-1400 NDT… cho một bộ thiết bị có dàn thu 2 m2 và dung tích bình chứa 200 lít (Nguyễn Duy Thiện, 2001), ở n-ớc ta mới chỉ có một số cơ sở sản xuất thiết bị đun n-ớc bằng năng l-ợng mặt trời với giá thành từ 3 đến 4...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: Bước đầu nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời trong đun nước nóng dùng cho sinh hoạt

Báo cáo khoa học Bước đầu nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời trong đun nước nóng dùng cho sinh hoạt
B−íc ®Çu nghiªn cøu øng dông n¨ng l−îng mÆt trêi trong ®un n−íc nãng dïng cho sinh ho¹t An initial study on utilization of solar energy in heating water for household use Phan V¨n Th¾ng1 Summary Solar energy is a clean and infinite energy source. Transformation of this energy for utilization is one of the research orientations for satisfaction of the growing need of the societyfor energy as the conventional sources of energy are gradually exhausting. In the present study a solar energy water heater was designed and manufactured based on a principle of trapping heat from solar radiation owing to a greenhouse effect, using cheap and locally available materials. It was shown that different materials used as the covering layer of the heat absorption panel resulted in different temperatures of the efluent water. As a result, the best covering material was chosen for the heater. The water heater had a rational design, simple manufacturing techniques with a price lower than that of other water heaters available for sale in the market. The present water heater should have an essential practical significance for its low fuel expenses and high environmental sustainablity. Key words: Solar energy, water heater, temperature, environment 1. §Æt vÊn ®Ò C¸c thiÕt bÞ ®un n−íc b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi lµ lo¹i h×nh c«ng nghÖ ®−îc sö dông réng r·i ë trªn thÕ giíi. Gi¸ thµnh cña c¸c thiÕt bÞ nµy ë NhËt B¶n lµ 300-400 USD, ë Nepal, Zimbabwe: 600-800 USD, ë Israel: 500-600 USD, ë Kenya: 1100 USD, Trung Quèc: tõ 1200-1400 NDT… cho mét bé thiÕt bÞ cã dµn thu 2 m2 vµ dung tÝch b×nh chøa 200 lÝt (NguyÔn Duy ThiÖn, 2001), ë n−íc ta míi chØ cã mét sè c¬ së s¶n xuÊt thiÕt bÞ ®un n−íc b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi víi gi¸ thµnh tõ 3 ®Õn 4 triÖu ®ång. ViÖt Nam n»m ë vïng cã tæng l−îng bøc x¹ mÆt trêi kh¸ cao: tõ 1700 - 1900 kWh/m2, tøc lµ b×nh qu©n kho¶ng 4,9 kWh/m2/ngµy so víi mét sè n−íc cã c−êng ®é bøc x¹ cao kho¶ng 8 kWh/m2/ngµy nh−: Israel, óc, Ai CËp, Pªru; ë Tanzania: 4,8-6,2 kWh/m2/ngµy; Th¸i Lan: 4,8-5,3 kWh/m2/ngµy; Pakistan: 3,8-8,2 kWh/m2/ngµy; §øc: 0,8-5,2 kWh/m2/ngµy; Nairobi, Kenya: 5,7 kWh/m2/ngµy (NguyÔn Duy ThiÖn, 2001)…d©n sè kho¶ng h¬n 80 triÖu, nhu cÇu n−íc nãng dïng cho sinh ho¹t hµng n¨m rÊt lín, nªn viÖc nghiªn cøu øng dông n¨ng l−îng mÆt trêi ®Ó phôc vô nhu cÇu s¶n xuÊt vµ ®êi sèng ë ViÖt Nam lµ mét thùc tÕ cÇn thiÕt trong mét sè lÜnh vùc: ®iÖn mÆt trêi, sÊy, ®un n−íc nãng,…. Sö dông thiÕt bÞ ®un n−íc nãng b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi gãp phÇn gi¶m mét l−îng lín nhiªn liÖu vµ chi phÝ cho viÖc ®un n−íc nãng, ®Æc biÖt gi¶m bít t×nh tr¹ng qu¸ t¶i cho hÖ thèng ®iÖn, gi¶m « nhiÔm m«i tr−êng sinh th¸i. Môc ®Ých cña nghiªn cøu nµy nh»m t×m ra quy tr×n h chÕ t¹o thiÕt bÞ thu nhiÖt mÆt trêi phï hîp víi c«ng nghÖ cña ViÖt Nam dùa trªn c¸c nguyªn vËt liÖu cã s½n ë trong n−íc, víi gi¸ thµnh h¹ vµ ®¶m b¶o hiÖu suÊt thu nhiÖt cao. 2. c¬ së lý thuyÕt vµ Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu øng dông nguyªn lý bÉy nhiÖt nhê hiÖu øng lång kÝnh ®Ó thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o thiÕt bÞ ®un n−íc nãng dïng n¨ng l−îng mÆt trêi. Do bé phËn thu nhiÖt lµ mét hép cã phÇn n¾p ®Ëy lµ vËt liÖu trong suèt nh− kÝnh hoÆc vËt liÖu tæng hîp, mÆt ®¸y lµ kim lo¹i ®−îc b«i ®en. Khi bøc x¹ mÆt trêi 1 Khoa C¬ §iÖn- Tr−êng §HNNI 231
chiÕu qua mÆt trong suèt th× hÇu nh− toµn bé phæ bøc x¹ xuyªn qua vµo trong hép lµm nãng bÒ mÆt b«i ®en. MÆt ®en hÊp thô nhiÖt vµ ph¸t bøc x¹ nhiÖt, nÕu kh«ng cã n¾p trong suèt ng¨n l¹i th× bøc x¹ nhiÖt sÏ t¶n ra m«i tr−êng vµ nhiÖt ®é cña mÆt hÊp thô sÏ æn ®Þnh ë nhiÖt ®é kh«ng cao kho¶ng 700C. Nhê cã n¾p trong suèt ng¨n bøc x¹ cã b−íc sãng dµi nªn nhiÖt ®é trong hép t¨ng cao dÇn. NÕu t¨ng sè n¾p trong suèt lªn hai hoÆc ba n¾p th× nhiÖt ®é trong hép cµng cao. ThiÕt bÞ ®un n−íc nãng b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi theo kiÓu ®èi l−u tù nhiªn, cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, Ýt tèn kÐm. ThiÕt bÞ nµy dùa trªn mét thùc tÕ lµ n−íc ®−îc lµm nãng trong dµn thu nhiÖt, d©ng lªn trong thïng chøa n−íc. N−íc nãng d©ng lªn ®Èy n−íc l¹nh tõ thïng tr÷ vµo dµn thu nh− mét si ph«ng nhiÖt (v× ch©n kh«ng kh«ng cßn tån t¹i) n−íc l¹nh ®−îc h©m nãng qua dµn thu nhiÖt vµ cø thÕ chu tr×nh kÕ tiÕp theo. L−u chuyÓn cø tiÕp tôc nh− vËy khi nµo nhiÖt ®é trong dµn thu nhiÖt cao h¬n nhiÖt ®é ë phÇn thÊp cña thïng tr÷ n−íc. C¸c bé phËn cña thiÕt bÞ ®un n−íc nãng b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi: KiÓu dµn thu nhiÖt vµ hÖ thèng èng dÉn trªn dµn thu VËt liÖu lµm dµn thu nhiÖt (bao gåm d¹ng dµn vµ d¹ng èng) cã thÓ lµ s¾t, nh«m, ®ång. Dµn thu nhiÖt chuyÓn tia bøc x¹ mÆt trêi tËp trung thµnh nhiÖt n¨ng vµ dÉn tíi hÖ thèng èng dÉn. Dµn thu nhiÖt cã thÓ ë d¹ng kiÓu cã èng dÉn uèn h×nh con r¾n (H×nh 1) hoÆc dµn thu nhiÖt kiÓu èng th¼ng (H×nh 2). . H×nh 1. Dµn thu nhiÖt h×nh con r¾n H×nh 2. Dµn thu nhiÖt kiÓu èng th¼ng Dùa vµo møc sö dông n−íc nãng cña ng−êi tiªu dïng vµ l−îng bøc x¹ mÆt trêi cña vïng ®−îc l¾p ®Æt thiÕt bÞ ®Ó tÝnh to¸n ®−îc kÝch th−íc cÇn thiÕt cña dµn thu nhiÖt. TÝnh to¸n kÝch th−íc cña dµn thu nhiÖt dùa vµo c¸c th«ng sè sau: - L−îng n−íc nãng yªu cÇu L (lÝt); - NhiÖt ®é n−íc nãng yªu cÇu t2 (0C); - NhiÖt ®é ban ®Çu cña n−íc l¹nh t1 (0C); - C−êng ®é bøc x¹ nhiÖt cña mÆt trêi R (kWh/m2); - HiÖu suÊt cña dµn thu nhiÖt E (%); Dµn thu nhiÖt ®−îc thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o cho mét gia ®×nh cã 4 ng−êi, l−îng n−íc nãng cÇn dïng lµ L=160 lÝt, nhiÖt ®é n−íc nãng: t2=400C, nhiÖt ®é ban ®Çu cña n−íc l¹nh: t1= 200C, c−êng ®é bøc x¹: R= 4,5 kWh/m2, hiÖu suÊt cña thiÕt bÞ: E= 40%. Líp phñ lªn dµn thu nhiÖt Sö dông mét líp phñ mµu ®en b»ng vËt liÖu chän läc lªn dµn thu nhiÖt, ®¶m b¶o kh¶ n¨ng hÊp thô bøc x¹ cao nhÊt. Líp phñ ®−îc chän läc cã thÓ lµ oxit niken vµ ®ång mµu ®en hoÆc sunphit kÏm vµ kÏm mµu ®en. C¸c líp phñ ph¶i máng v× b¶n th©n líp phñ cã mét hiÖu øng c¸ch nhiÖt, chØ cã líp phñ chän läc ®Æc biÖt míi cã kh¶ n¨ng hÊp thô tèt bøc x¹ mÆt trêi cã b−íc sãng ng¾n (tíi 2,5µm) vµ ®ång thêi c¶n trë sù ph¸t x¹ nhiÖt cã b−íc sãng dµi (tíi 4µm). Do ®ã ®Ó chän ®−îc mét líp phñ ®Æc biÖt cho hiÖu qu¶ thu nhiÖt cao nhÊt, ph¶i dùa vµo ®o ®Õm thùc nghiÖm víi c¸c líp phñ kh¸c nhau. §Ó ®¸nh gi¸ ®−îc kh¶ n¨ng thu nhiÖt cña thiÕt bÞ, ta cho phñ bÒ mÆt dµn thu n¨ng l−îng b»ng c¸c chÊt phñ kh¸c nhau vµ tiÕn hµnh lÊy c¸c th«ng sè gia t¨ng nhiÖt ®é n−íc khi ra khái dµn thu nhiÖt. 232
ThÝ nghiÖm ®−îc tiÕn hµnh trong nh÷ng ngµy cã thêi tiÕt (nhiÖt ®é kh«ng khÝ, tèc ®é giã) t−¬ng ®−¬ng nhau. TiÕn hµnh lÊy sè liÖu øng víi tõng lo¹i chÊt phñ. Sè liÖu thÝ nghiÖm khi ch−a cã chÊt phñ bÒ mÆt lµ sè liÖu ®èi chøng. Cø sau 10 phót, ta ®o nhiÖt ®é n−íc nãng mét lÇn b»ng nhiÖt kÕ thuû ng©n ®−îc g¾n trªn n¾p thïng tr÷. Kho¶ng thêi gian tiÕn hµnh thÝ nghiÖm lµ 60 phót. Hép ®ùng dµn thu nhiÖt Hép ®ùng giµn thu nhiÖt cã thÓ ®−îc lµm b»ng gç hoÆc kim lo¹i. Hép ®ùng dµn thu nhiÖt ngoµi viÖc b¶o vÖ t¸c ®éng bªn ngoµi nh− m−a, giã, ®é Èm vµ kÐo dµi tuæi thä cho dµn thu nhiÖt, nã cßn cã chøc n¨ng gi÷, c¸ch nhiÖt gi÷a dµn thu víi m«i tr−êng bªn ngoµi. Lo¹i hép ®ùng b»ng gç cã hiÖu qu¶ c¸ch nhiÖt tèt vµ kh«ng cÇn c¸ch nhiÖt ë c¸c phÝa. Hép ®ùng ®−îc phñ mét líp s¬n b¶o vÖ ®Ó tr¸nh bÞ h− háng do t¸c ®éng cña m«i tr−êng (h×nh 3). BÒ mÆt gê tiÕp xóc cña hép ®ùng víi tÊm kÝnh ch¾n ®−îc lµm khÝt b»ng gio¨ng cao su ®Ó chèng thÊt tho¸t nhiÖt vµ tr¸nh n−íc m−a lät vµo trong hép. Lo¹i hép ®ùng dµn thu nhiÖt b»ng kim lo¹i cÇn cã líp s¬n b¶o vÖ, trõ khi dïng c¸c vËt liÖu chèng rØ. C¸c c¹nh cña hép khung ph¶i ®−îc c¸ch nhiÖt tèt (h×nh 4). 2 3 1 2 3 4 4 5 5 6 7 7 6 H×nh 3. Hép ®ùng dµn thu nhiÖt b»ng gç H×nh 4. Hép ®ùng dµn thu nhiÖt b»ng kim lo¹i 1-Dµn b¶o vÖ; 2-VËt lµm kÝn; 3- TÊm kÝnh; 4- §inh; 5- Dµn èng hÊp thô nhiÖt; 6- Khung; 7- Líp c¸ch nhiÖt N¾p ®Ëy hép ®ùng dµn thu nhiÖt Th−êng ®−îc lµm tõ c¸c lo¹i kÝnh trong suèt. N¾p ®Ëy b¶o vÖ mÆt hÊp thô khái nhiÔm bÈn vµ t¨ng ®é bÒn cña líp phñ dµn thu nhiÖt. Thïng chøa n−íc Thïng tr÷ n−íc nãng ®−îc chÕ t¹o tõ t«n hoa, ®−îc dïng ®Ó tÝch tr÷ n−íc nãng ®−îc ®un tõ dµn thu nhiÖt ®−a dÇn ra tíi ng−êi sö dông. Thïng chøa n−íc nãng cÇn ph¶i ®−îc c¸ch nhiÖt tèt ®Ó gi¶m tæn thÊt nhiÖt. 3. KÕt qu¶ nghiªn cøu 3.1. TÝnh to¸n kÝch th−íc dµn thu nhiÖt - N¨ng l−îng nhiÖt cÇn cã: Q = 1,16 L (t2 – t1) = 1,16 . 160 (40 – 20) = 3172 Wh = 3,72 kWh - DiÖn tÝch dµn thu nhiÖt: Q 3,72 A= = = 2,06 m 2 E .R 0,4.4,5 Tõ kÕt qu¶ tÝnh to¸n, ta cã thÓ chÕ t¹o dµn thu nhiÖt cã diÖn tÝch 2 m2. Nh− vËy, tuú theo nhu cÇu sö dông n−íc nãng, c−êng ®é bøc x¹ mÆt trêi cña tõng vïng cô thÓ vµ kh¶ n¨ng chÕ t¹o ®Ó ®¹t hiÖu suÊt cña thiÕt bÞ trong kho¶ng nµo, ta cã thÓ tÝnh to¸n ®−îc kÝch th−íc cho dµn thu nhiÖt. NÕu chÕ t¹o hµng lo¹t, ta cã thÓ chÕ t¹o theo modul, mçi modul cã kÝch th−íc 2 m2. Tuú theo nhu cÇu sö dông, cã thÓ ghÐp nhiÒu modul l¹i víi nhau. 3.2. ChÕ t¹o vµ l¾p ®Æt thiÕt bÞ 233
Dµn thu nhiÖt bao gåm mét dµn èng dÉn n−íc b»ng thÐp tr¸ng kÏm cã kÝch th−íc trong b¶ng 1. B¶ng 1. VËt liÖu lµm dµn thu nhiÖt KÝch th−íc chän (m) §é dÇy (mm) VËt liÖu Sè l−îng èng däc 1,16 d1/d2 = 15/21 ThÐp tr¸ng kÏm 15 èng èng ngang 0,95 d1'/d2' = 26/32 ThÐp tr¸ng kÏm 2 èng C¸c èng däc cña dµn èng ®−îc nèi víi c¸c èng ngang theo ph−¬ng ph¸p hµn. èng ngang phÝa trªn lµ èng gãp n−íc nãng ra, èng ngang phÝa d−íi lµ èng gãp n−íc l¹nh vµo. C¸c èng gãp bÞt kÝn 1 ®Çu, 1 ®Çu cßn l¹i cã ren ®Ó nèi víi c¸c èng dÉn vµo ra. Hép ®ùng giµn thu nhiÖt ®−îc chÕ t¹o b»ng kim lo¹i, xung quanh cã líp c¸ch nhiÖt b»ng xèp. Thïng chøa n−íc cã 2 líp h×nh trô lång vµo nhau, ë gi÷a lµ líp xèp c¸ch nhiÖt dÇy 5 cm. V¸ch thïng cã c¸c ®−êng èng nèi ®Ó dÉn n−íc l¹nh vµo vµ n−íc nãng ra. Sau khi chÕ t¹o xong c¸c bé phËn cña thiÕt bÞ, tiÕn hµnh l¾p nèi c¸c bé phËn b»ng c¸c ®−êng èng dÉn n−íc m¹ kÏm (h×nh 5). 6 2 3 1 4 7 5 H×nh 5. ThiÕt bÞ ®un n−íc nãng b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi 1- Dµn thu nhiÖt; 2- Thïng tr÷ n−íc nãng; 3- èng dÉn n−íc nãng ra; 4- èng dÉn n−íc l¹nh vµo; 5- èng dÉn n−íc l¹nh vµo dµn thu nhiÖt; 6- èng dÉn n−íc nãng vµo thïng tr÷; 7- Gi¸ ®ì. 100 90 80 NhiÖt ®é n−íc ra (oC) 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 T hêi gian thÝ nghiÖm (phót) § è i chøng C hÊt p hñ 1 C hÊt p hñ 2 C hÊt p hñ 3 §å thÞ 1. §−êng cong gia nhiÖt øng víi c¸c chÊt phñ kh¸c nhau 234
3.3. Kh¶o nghiÖm thiÕt bÞ Nh×n vµo ®å thÞ ta thÊy: - C¸c chÊt phñ bÒ mÆt dµn n¨ng l−îng ®Òu cã kh¶ n¨ng hÊp thô nhiÖt tèt h¬n khi bÒ mÆt kh«ng ®−îc s¬n líp chÊt phñ. - Qua mét kho¶ng thêi gian tiÕn hµnh thÝ nghiÖm nh− nhau, øng víi c¸c lo¹i chÊt phñ kh¸c nhau, nhiÖt ®é n−íc ra khái dµn thu nhiÖt lµ kh¸c nhau. ChÊt phñ 2 cã kh¶ n¨ng hÊp thô nhiÖt tèt nhÊt: nhiÖt ®é cña n−íc trong thïng tr÷ khi ra khái dµn thu nhiÖt ®¹t cao nhÊt. 3.4. Gi¸ thµnh cña thiÕt bÞ Víi c¸c vËt liÖu cã s½n vµ th«ng dông, dÔ kiÕm ë trong n−íc nh−: èng n−íc m¹ kÏm, gç lµm khung, kÝnh x©y dùng, t«n l¸, thÐp kh«ng gØ lµm thïng chøa, xèp lµm vËt liÖu c¸ch nhiÖt, ®Ò tµi ®· chÕ t¹o thµnh c«ng bé thiÕt bÞ ®un n−íc b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi cã diÖn tÝch 2 m2, dung tÝch thïng chøa 100 lÝt. C«ng nghÖ chÕ t¹o ®¬n gi¶n, phï hîp víi kh¶ n¨ng vµ tr×nh ®é chÕ t¹o cña c¸c c¬ së chÕ t¹o c¬ khÝ nhá. Gi¸ thµnh cña bé thiÕt bÞ lµ 2,4 triÖu ®ång. 4. KÕt luËn ThiÕt bÞ ®un n−íc nãng b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi ®−îc chÕ t¹o cã kh¶ n¨ng hÊp thô vµ chuyÓn ho¸ tèt n¨ng l−îng mÆt trêi thµnh nhiÖt n¨ng. ThiÕt bÞ cã kÕt cÊu hîp lý, c«ng nghÖ chÕ t¹o ®¬n gi¶n. TËn dông ®−îc c¸c lo¹i vËt liÖu t¹i chç, s½n cã cña thÞ tr−êng, cã thÓ tù chÕ t¹o thµnh s¶n phÈm th−¬ng m¹i víi gi¸ thµnh 2,4 triÖu ®ång. CÇn tiÕp tôc nghiªn cøu, so s¸nh ®Ó t×m ra c¸c chÊt phñ bÒ mÆt hÊp thô dµn thu cho hiÖu suÊt nhiÖt cao h¬n. Tµi liÖu tham kh¶o NguyÔn Duy ThiÖn (2001). Kü thuËt sö dông n¨ng l−îng mÆt trêi, Nxb x©y dùng, Hµ Néi, tr. 5-75. Tæ chøc FAO khu vùc B¨ngKok-Th¸i Lan (1992). N¨ng l−îng mÆt trêi trong ph¸t triÓn n«ng th«n ë vïng Ch©u ¸ Th¸i B×nh D−¬ng, Nxb Gi¸o dôc, Hµ Néi, tr. 12-37 Bé khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr−êng (12/1977). Sö dông n¨ng l−îng tiÕt kiÖm vµ hiÖu qu¶ ë ViÖt Nam, Hµ Néi, tr. 3-45. 235