Tài liệu Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn nha trang place.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NGỤY HOÀNG ĐÀN TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC CÓ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP BƠM NGHIỆT CHO KHÁCH SẠN NHA TRANG PLACE ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC (Ngành: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt lạnh) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. LÊ NHƯ CHÍNH NHA TRANG, THÁNG 6 NĂM 2014 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn Lớp: 52NL Ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh Khoa: Cơ khí Tên Đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”. Số trang: 106 Số chương: 04 Số tài liệu kham khảo: 11 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ Kết luận: ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ĐIỂM CHUNG Bằng chữ Bằng số Nha Trang, ngày … tháng … năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) Th.S Lê Như Chính 1 PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn Lớp: 52NL Ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh Khoa: Cơ khí Tên Đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”. Số trang: 106 Số chương: 04 Số tài liệu kham khảo: 11 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. Đánh giá chung: ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. Nha Trang, ngày … tháng … năm 2014 Cán bộ phản biện ĐIỂM Bằng chữ Bằng số ĐIỂM CHUNG Bằng chữ (Ký và ghi rõ họ tên) Bằng số Nha Trang, ngày … tháng … năm 2014 Chủ tịch hội đồng (Ký và ghi rõ họ tên) 2 LỜI CẢM ƠN Học tập là một quá trình lâu dài, mỗi giai đoạn đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành tri thức một con người. Từ những ngày bước chân vào giảng đường đại học cho đến lúc hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự quan tâm chỉ dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô. Qua quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí cũng như các Thầy, Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt Lạnh đã tạo mọi điều kiện cho em có kết quả học tập tốt và hoàn thành đề tài này. Đặc biệt em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy ThS. Lê Như Chính đã trực tiếp theo dõi, tận tình hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu, cung cấp cho em những tài liệu cần thiết và hữu ích cho quá trình nghiên cứu để em có thể thực hiện đề tài hoàn chỉnh về mặt nội dung và hoàn thành trong thời gian quy định. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tới gia đình và những người bạn của em những người đã luôn giúp đỡ, động viên em hoàn thành tốt đề tài này. Tuy nhiên, quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Mong nhận được sự chỉ bảo của quý Thầy Cô và góp ý của các bạn. N Nha Trang, tháng 6 năm 2014. S Sinh viên thực hiện Ngụy Hoàng Đàn 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... 1 LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ............................................................ 12 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời .................................................................. 12 1.1. Lịch sử ra đời và phát triển máy nước nóng năng lượng mặt trời ........... 12 1.2. Quá trình truyền bức xạ mặt trời xuống trái đất ....................................... 15 1.3. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ ............................................................ 19 1.4. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang ..................... 21 1.5. Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất............................ 22 1.6. Bức xạ mặt trời truyền qua kính .................................................................. 25 1.7. Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam ..................................................... 26 1.8. Đo cường độ bức xạ Mặt trời ....................................................................... 27 1.9. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bình nước nóng năng lượng mặt trời .... 28 1.9.1. Cấu tạo. ........................................................................................................ 28 1.9.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................... 29 2. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ...................................... 31 2.1. Pin mặt trời ..................................................................................................... 32 2.2. Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời ................................................ 33 2.3. Thiết bị sấy khô dung năng lượng mặt trời ................................................. 34 2.4. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời .............................................................. 34 2.5. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT .......................................................... 35 2.6. Động cơ stirling chạy bằng NLMT ............................................................... 36 2.7. Thiết bị đun nước nóng chạy bằng NLMT .................................................. 36 2.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT............................... 37 3. Tổng quan về bơm nhiệt (Heat pump) ............................................................ 37 3.1. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt ............................................................. 37 3.2. Đặc điểm cấu tạo của các thiết bị trong hệ thống bơm nhiệt ..................... 38 4 3.2.1. Máy nén ........................................................................................................ 38 3.2.2. Thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi ......................................................... 39 3.2.3. Van tiết lưu .................................................................................................. 39 3.3. Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt .............................................................. 39 3.3.1. Sản xuất nước nóng phục vụ cho sản xuất ............................................... 39 3.3.2. Trong công nghệ sản xuất bia, đường, sữa, nước giải khát có ga, cô đặc, chưng cất, sấy… .................................................................................................... 40 4. Tổng quan về công trình Nha Trang Place Hotel .......................................... 40 5. Khả năng ứng dụng bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời ............ 41 5.1. Tính hiệu quả kinh tế ..................................................................................... 41 5.2. Tính ưu việt ..................................................................................................... 43 5.3. Tính hạn chế ................................................................................................... 43 CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC ....................... 44 1. Tính toán lưu lượng nước cấp, tính thiết kế bể chứa, tính chọn két nước .. 44 1.1. Tính toán lưu lượng nước cấp sinh hoạt cho khách sạn ............................ 44 1.2. Tính toán thiết kế bể chứa ............................................................................. 44 2. Chọn hệ thống cung cấp nước nóng ................................................................ 45 2.1. Chọn thiết bị nước nóng năng lượng mặt trời............................................. 45 2.1.1. Chọn tấm thu nhiệt ..................................................................................... 46 2.1.2. Chọn bồn bảo ôn ......................................................................................... 46 2.2. Chọn bơm nhiệt (Heat pumb) ....................................................................... 47 2.2.1. Sơ đồ ứng dụng của bơm nhiệt .................................................................. 47 2.2.2. Sơ đồ kết hợp giữa bơm nhiệt và tấm thu năng lượng mặt trời ............. 47 2.2.3. Chọn bơm nhiệt ........................................................................................... 48 2.2.4. Tính kiểm tra bơm nhiệt (heat pump) ...................................................... 49 2.3. Tính toán thiết kế đường ống dẫn nước nóng, tính chọn bơm tuần hoàn 50 2.3.1. Thiết kế và tính chọn ống dẫn nước nóng................................................. 50 5 2.3.1.1. Tính chọn ống dẫn nước trong phòng .................................................... 50 2.3.1.2. Tính chọn đường ống dẫn nước xuyên tầng .......................................... 51 2.3.1.3. Tính chọn ống nước hồi ........................................................................... 52 2.3.1.4. Tính chọn bơm tuần hoàn ........................................................................ 52 2.3.1.5. Chọn bồn chứa nước hồi .......................................................................... 56 2.4. Tính thiết kế đường ống dẫn nước lạnh, chọn két nước, tính chọn bơm . 56 2.4.1. Tính thiết kế ống dẫn nước lạnh trong phòng .......................................... 57 2.4.2. Tính chọn đường ống xuyên tầng. ............................................................. 58 2.4.3. Tính chọn két nước ..................................................................................... 59 2.4.4. Tính chọn bơm nước cấp ............................................................................ 59 CHƯƠNG III: QUY TRÌNH XÂY DỰNG, LẮP ĐẶT, VẬN HÀNH, BẢO QUẢN VÀ SỬA CHỮA ........................................................................................ 64 1. Xây dựng, lắp đặt hệ thống cấp nước sinh hoạt ............................................. 64 1.1. Xây dựng bể chứa........................................................................................... 64 1.2. Lắp đặt thiết bị thu năng lượng mặt trời ..................................................... 64 1.3. Lắp đặt bơm nhiệt .......................................................................................... 65 1.4. Lắp đặt bồn chứa nước .................................................................................. 65 1.5. Lắp đặt đường ống dẫn nước, các thiết bị phụ trợ ..................................... 65 1.5.1. Lắp đặt đường ống dẫn nước ..................................................................... 66 1.5.2. Lắp đặt bơm nước ....................................................................................... 67 1.5.3. Lắp đặt bồn cầu ........................................................................................... 68 1.5.4. Lắp đặt bồn tắm .......................................................................................... 69 2. Bảo dưỡng và sửa chữa .................................................................................... 69 2.1. Bảo dưỡng máy nước nóng năng lượng mặt trời ........................................ 69 2.2. Bảo dưỡng bơm nhiệt .................................................................................... 70 CHƯƠNG IV: TÍNH GIÁ THÀNH HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ............................................................................................ 73 6 1. Tính giá thành sản phẩm.................................................................................. 73 2. So sánh tính tiết kiệm của sản phẩm so với sản phẩm khác ......................... 74 3. Kết luận và nhận xét ......................................................................................... 74 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 76 Danh mục tài liệu tham khảo ............................................................................. 106 7 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Máy nước nóng năng lượng Mặt trời ................................................. 12 Hình 1.2: Hệ thống Solarhart bên cạnh các tấm PV ......................................... 14 Hình 1.3: Góc nhìn mặt trời ................................................................................ 16 Hình 1.4: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất .................................................................................................................... 17 Hình 1.5: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng. .................................................................................................................. 20 Hình 1.6: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán .......................... 23 Hình 1.7: Các bề mặt bức xạ lên bề mặt nằm nghiêng ...................................... 24 Hình 1.8: Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng .......................... 24 Hình 1.9: Hiệu ứng lồng kính ............................................................................... 25 Hình 1.10: Nhật xạ kế - Pyranometer ................................................................. 28 Hình 1.11: Trực xạ kế ........................................................................................... 28 Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động máy nước nóng năng lượng mặt trời ........... 30 Hình 1.13: Pin Mặt trời ........................................................................................ 32 Hình 1.14: Hệ thống pin Mặt trời ........................................................................ 33 Hình 1.15: Nhà máy điện mặt trời ....................................................................... 33 Hình 1.16: Tháp năng lượng mặt trời ................................................................. 33 Hình 1.17: Thiết bị sấy NLMT............................................................................. 34 Hình 1.18: Triển khai bếp nấu cơm dùng năng lượng mặt trời ....................... 35 Hình 1.19: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT .............................................. 35 Hình 1.20: Bơm nươc chạy bằng NLMT ............................................................ 36 Hình 1.22: Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT ................................................ 37 Hình 1.23: Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt .................................................... 38 Hình 1.24: Ứng dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng ............................ 39 Hình 1.25: Khách sạn Nha Trang Place.............................................................. 41 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý máy nước nóng năng lượng mặt trời tập trung tuần hoàn tự nhiên ......................................................................................................... 45 Hình 2.2: Sơ đồ ứng dụng cơ bản của bơm nhiệt ............................................... 47 8 Hình 2.3: Sơ đồ kết hợp giữa bơm nhiệt và tấm thu năng lượng mặt trời ...... 48 Hình 2.4: Đường ống cấp nước nóng................................................................... 52 Hình 2.5: Đồ thị độ nhớt động học của nước ...................................................... 54 Hình 2.6: Hình ảnh bơm ly tâm ........................................................................... 55 Hình 2.7: Đồ thị vùng làm việc bơm ly tâm ........................................................ 56 Hình 2.8: Đường ống nước lạnh .......................................................................... 58 Hình 2.9: Đồ thị độ nhớt của nước ...................................................................... 61 Hình 2.10: Đường đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối tiếp (cùng đặc tính) ................................................................................................................................. 62 Hình 3.1: Chi tiết ống qua tường ......................................................................... 66 Hình 3.2: Chi tiết ống treo trần nhà .................................................................... 67 Hình 3.3: Chi tiết cùm đỡ ống .............................................................................. 67 Hình 3.4: Chi tiết lắp đặt bồn cầu ....................................................................... 69 9 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm .................... 26 Bảng 1.2: Số giờ nắng trung bình cả năm........................................................... 27 Bảng 1.3: So sánh tính kinh tế ............................................................................. 42 Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật tấm thu chân không MEGASUN MGS-VC1850 ................................................................................................................................. 46 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật bồn chứa SUS304 ................................................. 47 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật bơm nhiệt MGS-20HP-D..................................... 49 Bảng 2.4: Lưu lượng tính toán thiết bị vệ sinh và đường kính ống nối ........... 50 Bảng 2.5: Thông số ống nước nóng PN20 .......................................................... 51 Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật bơm ly tâm 100 x 64 – FSKA .............................. 56 Bảng 2.7: Thông số kỹ thuật bồn nước MEGASUN .......................................... 56 Bảng 2.8: Lưu lượng tính toán và đường kính ống nối thiết bị vệ sinh .......... 57 Bảng 2.9: Ống nước nóng PN20 .......................................................................... 57 Bảng 2.10: Thông số kỹ thuật bồn chứa nước inox .......................................... 59 Bảng 2.11: Thông số kỹ thuật bơm ly tâm 100x64 – FSKA .............................. 63 Bảng 3.1: Một số sự cố thường găp và cách giải quyết máy nước nóng năng lượng mặt trời ....................................................................................................... 69 Bảng 4.1: Chi phí lắp đặt hệ thống ..................................................................... 73 Bảng 4.2: Chi phí cho máy móc thiết bị ............................................................. 73 10 LỜI NÓI ĐẦU Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống con người. Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao. Trên thế giới các nước đang phát triển có nhu cầu năng lượng lớn đến 75%, các nước phát triển cần 25% tổng nhu cầu năng lượng của thế giới. Với tốc độ phát triển chóng mặt của xã hội hiện nay. Do nhu cầu về sự tiện nghi ngày càng cao, trong đó nước nóng là một nhu cầu thực tiễn. Tuy nhiên để đáp ứng được lượng nước nóng để phục vụ con người đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng khá lớn. Trong khi đó Việt Nam là một trong những nước có ánh nắng mặt trời chiếu sáng nhiều trong ngày. Để đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng cũng như đảm bảo tiết kiệm về năng lượng ta ứng dụng năng lượng mặt trời vào sản xuất nước nóng. Xuất phát từ thực tiễn trên tôi được khoa cơ khí trường Đại Học Nha Trang giao cho đề tài tốt nghiệp: “Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place” Trong thời gian thực hiện đề tài tôi nhận được sự giúp đỡ hưỡng dẫn tận tình của thầy Th.S Lê Như Chính, cùng với sự nghiên cứu tìm tòi học hỏi đến nay tôi đã hoàn thành cơ bản các nội dung của đề tài. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do thời gian còn hạn chế và bước đầu làm quen với nghiên cứu khoa học cùng với trang thiết bị phòng thí nghiệm còn thiếu nên kết quả nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài này được hoàn thiện hơn. Nha Trang, tháng 06 năm 2014 Sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời 1.1. Lịch sử ra đời và phát triển máy nước nóng năng lượng mặt trời Ở thế kỷ XIX, các nước phương Tây vẫn chưa có khái niệm về giữ nhiệt cho nước. Người ta chứa nước trong một thùng giống thùng phuy. Nhiệt độ của nước được tăng lên bằng phương pháp thủ công, đó là dùng gỗ hoặc than đá để đốt nóng. Phương pháp này rất tốn kém và bất tiện. Ở những vùng nông thôn có nhiều nắng hơn thì nông dân đã nghĩ ra phương pháp khác. Họ chứa nước trong một thùng phuy sơn đen bên ngoài và đậy nắp. Sau đó đem phơi dưới ánh nắng Mặt trời suốt cả ngày. Phương pháp đó có vẻ khá hơn nhưng những thùng phuy này nhanh chóng bị mất nhiệt về ban đêm, khi nhiệt độ hạ xuống. Hình 1.1: Máy nước nóng năng lượng mặt trời Năm 1891, Clarence Kemp, bang Maryland, Mỹ, đã chế ra một loại bồn kim loại giữ được nhiệt của nước từ năng lượng mặt trời. Ông đã đặt tên cho sản phẩm của mình là Climax và đây là máy nước nóng từ năng lượng mặt trời đầu tiên trên thế giới được thương mại. 12 Đầu năm 1900, Kemp đã đưa Climax đến với người dân các tiểu bang khác có nắng và nhiệt độ thường cao hơn. Tại miền Nam California, Mỹ, hàng trăm máy được lắp đặt vào năm 1900. Sau đó, hệ thống thu nhiệt của Climax đã có nhiều cải tiến và hoàn thiện dần, trong đó có việc sử dụng hộp thủy tinh bao xung quanh các ống kim loại giống như phương pháp hiệu ứng nhà kính. Do đó, nước được nóng nhanh hơn. Khối lượng riêng của nước nóng thường nhẹ hơn nước lạnh, khi thông qua ống dẫn thì nước nóng sẽ được dồn vào bình chứa (bình bảo ôn) và đảm bảo cho nhu cầu cả ngày và đêm. Năm 1909, William J. Bailey của công ty thép Carnegie, Mỹ, đã nâng kỹ thuật lên một bước nữa bằng cách tách máy nước nóng năng lượng mặt trời ra làm hai phần: một phần hấp thụ nhiệt và một phần trữ nhiệt. Phần hấp thụ nhiệt là các ống kim loại sơn đen và đặt trong một hộp kính, phần còn lại là một bồn chứa lớn để trữ nước nóng. Từ năm 1909, Bailey đã tung sản phẩm của mình ra thị trường và với những ưu điểm nổi trội, khiến Climax bị loại ra khỏi cuộc chơi. Từ năm 1909 đến 1918, ông đã bán ra thị trường hơn 4,000 máy hiệu Solar Day-Night. Trong những năm 1920-1930, những khám phá lớn về khí đốt tại Los Angeles, Mỹ, đã làm đình trệ sự phát triển ứng dụng của năng lượng mặt trời. Sau năm 1930, Heater là người kế nghiệp Bailey, đã phát triển rộng rãi dòng máy Solar Day - Night Heater. Sau chiến tranh thế giới thứ hai, có những nước mà cả nửa số dân đã dùng máy nước nóng năng lượng mặt trời, góp phần tiết kiệm điện cho các ngành công nghiệp sản xuất khác. Sự xuất hiện ở một số nước trên thế giới và Việt Nam Tại Nhật Bản, loại máy nước nóng năng lượng mặt trời có bồn nước hình trụ được đặt trong hộp kính rất được phổ biến. Năm 1960, người Nhật đã tiếp cận khu vực Trung Đông bằng những ứng dụng của máy nước nóng năng lượng mặt trời. Đổi lại, họ được mua dầu mỏ với giá ưu đãi. Nhưng không lâu sau đó, vào năm 1973, giá dầu mỏ tăng vùn vụt, máy nước nóng năng lượng Mặt trời trở nên có giá. Khi xuất hiện lệnh cấm vận một số nước Trung Đông, mỗi năm Nhật Bản xuất sang Trung Đông hơn 100,000 máy nước nóng năng lượng Mặt trời. 13 Khi cuộc khủng hoảng giá dầu lần thứ hai xảy ra (năm 1979), doanh thu của nước Nhật tăng khủng khiếp chỉ bằng việc xuất khẩu máy nước nóng năng lượng Mặt trời, trung bình trên 250,000 máy/năm. Hiện tại, Nhật Bản đang có trên 10 triệu gia đình dùng máy nước nóng năng lượng Mặt trời. Tại Australia, Solarhart là nhà sản xuất tiên phong khi cải tiến bộ hấp thụ nhiệt và bồn nước (bình bảo ôn) được thiết kế gọn nhẹ, rất thuận lợi khi lắp đặt trên mái nhà. Hình 1.2: Hệ thống Solarhart bên cạnh các tấm PV Nếu năm 1960, trên cả thế giới có khoảng 100.000 bộ máy nước nóng năng lượng Mặt trời thì đến năm 1969 đã có khoảng 4 triệu máy. Cuộc khủng hoảng về dầu mỏ năm 1973 và năm 1979 đã làm người dân Australia gần gũi hơn với nguồn năng lượng từ Mặt trời. Trong khoảng thời gian này, ở lãnh thổ phía Bắc của Australia đã có khoảng 4550% số gia đình sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời. Trong những năm cuối của thập kỷ 80 của thế kỷ 20, Australia là nước xuất khẩu máy nước nóng năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới khi thị phần của thương hiệu Solarhart chiếm 50% tổng thị phần. Tại Israel, năm 1953, Levi Yissar là người đầu tiên đưa máy nước nóng năng lượng mặt trời về và sự kiện này đã thu hút nhiều tờ báo hàng đầu ở nước này. 14 Đối với Chính phủ Israel thì việc ứng dụng năng lượng mặt trời là giải pháp có tính chiến lược. Chính phủ đã thành lập một ủy ban đặc biệt chuyên trách về năng lượng mặt trời mà người đứng đầu là Levi Yissar. Ông đã đặt mục tiêu đến năm 1967, cứ 20 gia đình tại Israel thì có một gia đình dùng máy nước nóng năng lượng mặt trời. Đến năm 1983, hơn 60% gia đình tại Israel sử dụng máy nước nóng năng lượng Mặt trời và đến nay, con số này đã là 90%. Người Israel là những người đầu tiên đưa ứng dụng năng lượng mặt trời để sưởi ấm hồ bơi. Hiện nay, khi nói đến năng lượng xanh của Israel, người ta nghĩ ngay tới tập đoàn năng lượng hàng đầu AORA với thương hiệu máy nước nóng năng lượng mặt trời Heps. Tại Việt Nam, sự xuất hiện của máy nước nóng năng lượng mặt trời tuy muộn nhưng đúng thời điểm và được coi là một trong những giải pháp tiết kiệm hàng đầu trong đầu tư. Từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX, máy nước nóng năng lượng mặt trời nói riêng và các thiết bị dùng năng lượng mặt trời nói chung đã nhen nhóm xuất hiện tại Việt Nam nhưng mới chỉ ở dạng nghiên cứu của các trường đại học hoặc viện nghiên cứu. Đến đầu năm 2000, máy nước nóng năng lượng mặt trời đã có hình thức thương mại nhưng đa phần nhập ngoại như Solarhart và Edwards (Australia), Solar Meru (Malaysia), Solar Heps (Israel)... 1.2. Quá trình truyền bức xạ mặt trời xuống trái đất 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 tứ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng cúa chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có 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 có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế bắt đầu xảy ra. 15 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 nữa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ. Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển. Tính đối với 1 m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: q = φD-T.C0 (T/100)4 Ở đây φD-T: Hệ số góc bức xạ mặt trời và trái đất φD-T = β2/4 β: Là góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’ C0 = 5,67 W/m2.k4 – Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối T ≈ 5762oK – Nhiệt độ bề mặt mặt trời 2 Vậy  2.3,14.32    5762 4 360.60   q= .5,67.( ) ≈ 1353 W/m2 4 100 Hình 1.3: Góc nhìn mặt trời Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời. 16 Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới trái đất. Đầu tiên oxy phân tử bình thường O2 phân ly thành oxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có photon bước sóng ngắn hơn 0,18 μm, do đó các photon có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử oxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử oxy khác để tạo thành phân tử ozon O3, Ozon cũng hấp thụ bức xạ từ ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với oxy, dưới tác dụng của các photon với bước song ngắn hơn 0,32 μm, sự phân tách ozon thành O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ từ ngoài được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2, O3, đó là một quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ từ ngoài biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn. Hình 1.4: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất 17 Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ liên kết của chúng khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phân tử các phần khác nhau của khí quyển bức xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh của trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. Phần năng lượng mặt trời bức xạ tới truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất trong khoảng 1000W/m2. Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một thời điểm nào đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quảng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỷ đạo của nó quang mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5 C và thực tế xem như chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm. Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt trời (góc giữa phương từ điểm quang sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau: Eng = Eo(1+0,033cos 360n ) (W/m2) 365 18 Trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm. 1.3. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm như sau: Hệ số khối lượng không khí: m, là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở thiên đỉnh). Như vậy m = 1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m = 2 khi góc thiên đỉnh là θz là 60. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0 -700 có thể xác định gần đúng m = 1/cos θz .Còn đối với các góc θz >700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán. Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m = 0. Trực xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đây là dòng bức xạ có hướng và có cụ thể thu được ở các bộ phận thu được kiểu tập trung (hội tụ). Tán xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển. Tổng xạ: Là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt). Cường độ bức xạ (W/m2): Là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ bao gồm cường độ bức xạ Etrx, cường độ bức xạ tận Etrx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp. Năng lượng bức xạ (j/m2) là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân trong một khoảng thời gian, nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày). Giờ mặt trời: Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ. 19