TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ


 

 



NGUYỄN ĐỨC THÀNH

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHƯNG
CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI KẾT HỢP ĐIỆN TRỞ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH
GVHD: TRẦN ĐẠI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH KHƯƠNG

Nha Trang, Tháng 07 Năm 2013
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2
1.1 Vị trí, cấu trúc, kích thước của mặt trời 2
1.2 Nguồn bức xạ mặt trời 3
1.2.1 Bản chất của bức xạ mặt mặt trời và bức xạ khí quyển 3
1.2.2 Các quá trình ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời 6
1.2.3 Bức xạ mặt trời khi trời quang 9
1.2.4 Bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 11
1.2.5 Năng lượng tia bức xạ và trực xạ 12
1.2.6 Năng lượng tia bức xạ nhiễu xạ 14
1.2.7 Năng lượng tia bức xạ phản xạ 14
1.2.8 Năng lượng mặt trời tới mặt nghiêng 14
CHƯƠNG 2: NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 16

3.1.2.2 Kết luận 53
3.2 Tính toán, thiết kế thiết bị thu năng lượng mặt trời 54
3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bếp parabol 54
3.2.2 Tính toán thiết kế chảo parabol 55
3.3 Chế tạo thiết bị 56
3.3.1 Thiết bị thu năng lượng mặt trời 56
3.3.1.1 Vật liệu và dụng cụ 56
3.3.1.2 Tiến hành làm 57
3.3.2 Khung và giá đỡ 58
3.3.2.1 Vật liệu và dụng cụ 58
3.3.2.2 Tiến hành làm 58
3.3.3 Thiết bị chưng cất nước 60

CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT, CHẠY THỬ VÀ ĐIỀU CHỈNH CÁC THÔNG
SỐ KỸ THUẬT 61
4.1 Lắp đặt và chạy thử lần một 61
4.2 Chạy thử lần hai 62
4.3 Lắp thêm điện trở và chạy thứ lần ba 62
4.3.1 Lắp thêm điện trở 62
4.3.2 Chạy thử nghiệm lần ba 63
CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 64
5.1 Kết quả so sánh 64
5.2 Nhận xét và đánh giá kết quả 64
5.3 Kết luận và đề xuất 64
5.3.1 Kết luận 64
5.3.2 Đề xuất 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66
Nha Trang ngày 06 tháng 07 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Thành
2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1 Vị trí, cấu trúc, kích thước của mặt trời Hình 1.1 mặt trời
Mặt trời là ngôi sao ở trung tâm Hệ Mặt Trời, chiếm khoảng 99,86% khối
lượng của Hệ Mặt Trời. Trái Đất và các thiên thể khác như các hành tinh, tiểu hành
tinh, thiên thạch, sao chổi, và bụi quay quanh Mặt Trời. Ánh sáng Mặt Trời cần 8
phút 19 giây mới đến được Trái Đất. Năng lượng Mặt Trời ở dạng ánh sáng hỗ trợ
cho hầu hết sự sống trên Trái Đất thông qua quá trình quang hợp, và điều khiển khí
hậu cũng như thời tiết trên Trái Đất. Thành phần của Mặt Trời gồm hydro (khoảng
74% khối lượng, hay 92% thể tích), heli (khoảng 24% khối lượng, 7% thể tích), và
một lượng nhỏ các nguyên tố khác, gồm sắt, nickel, oxy, silic, lưu huỳnh, magiê,
carbon, neon, canxi, và crom.
Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các
nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng

Bức xạ mặt trời là bức xạ điện từ do bề mặt nóng sáng của mặt trời chiếu lên
các tấm hấp thu bức xạ mặt trời đặt trên bề mặt của trái đất. Bức xạ mặt trời bao
gồm bức xa tử ngoại (tia cực tím), tia sáng thường và vùng hồng ngoại gần. Bên
cạnh bức xạ mặt trời mặt đất còn nhận bức xạ khí quyển, đó là bức xạ nhiệt do bầu
khí quyển phát ra trong vùng hồng ngoại xa của phổ điện từ.
4

Dựa vào quan hệ giữa bước sóng của bức xạ ánh sáng thường và bức xạ tia
cực tím người ta thường gọi bức xạ mặt trời là bức xạ sóng ngắn, còn bức xạ khí
quyển là bức xạ sóng dài. Bức xạ mặt trời thường có bước sóng nằm trong khoảng
0,3µm đến 3µm, bức xạ khí quyển có bước sóng nằm trong khoảng 5µm đến 50µm.
Do vậy, trong thực tế hai dãy bước sóng này sẽ không trùng nhau.

Hình 1.2. Dải bức xạ điện từ
Bên cạnh bức xạ mặt trời và bức xạ khí quyển đến từ bầu trời, một tấm hấp
thụ bức xạ còn có thể nhận bức xạ từ các vật thể khác trên mặt đất phát ra, khi ta đặt
các tấm hấp thụ gần các vật thể ấy. Bức xạ loại này gồm các sóng bước dài do bản
thân các vật thể này phát ra, và bức xạ sóng ngắn thì chúng phản chiếu lại ánh sáng
mặt trời chiếu đến chúng. Các bức xạ này rất khó tính toán theo lý thuyết, trong
thực tế chúng ta thường bỏ qua vi chúng không quan trọng lắm.
Bức xạ mặt chiếu đến bề mặt của trái đất có thế chia thành hai loại: trực xạ
(tia) đến trực tiếp từ mặt trời, và tán xạ đến từ phần còn lại của bầu trời. Trực xạ là
bức xạ có khả năng tạo bóng và có thể tập trung được bằng các hệ thống quang học.
Tán xạ không thể tạo ra bóng và cũng không thể tập trung được.
5 Mặt trời
Bầu trời Mây
Trực xạ

= I
b
cosθ + I
d

Bức xạ của khí quyển chỉ là khuyếch tán, đo bằng bức xạ sóng dài chiếu lên
một bề mặt nằm ngang hướng lên. Nó được gọi là cường độ bức xạ khí quyển. Giá
trị của nó phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp không khí ở gần vùng bề mặt trái đất,
đồng thời phụ thuộc vào số lượng và độ cao của các đám mây trên bầu trởi.Thông
thường cường độ bức xạ khí quyển bằng với cường độ của môt vật thể đen ở nhiệt 6

độ thấp hơn nhiệt độ của lớp không khí ở gần bề măt trái đất vài
o
C . Trong khoảng
nhiệt độ từ 10
o
C đến 30
o
C thì cường độ bức xạ khí quyển có giá trị nằm trong
khoảng từ 300W/m
2
đến 450W/m
2
.
Tổng dòng năng lượng bức xạ sóng ngắn và sóng dài chiếu xuống một bề mặt
nằm ngang hướng lên được gọi là tổng cường độ bức xạ.Nếu gọi I
a


mạnh chủ yếu ở vùng tia cực tím của quang phổ, vì vậy các bước sóng nhỏ hơn 0.3µm ít
khi đến mặt đất. Có khoảng 3% bức xạ mặt trời bị hấp thụ bằng cách này.
Ở tầng thấp hơn của khí quyển, có khoảng 14% bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi
hơi nước,chủ yếu xảy ra ở vùng tia hồng ngoại của quang phổ. Các đám mây hấp
thụ một lượng rất nhỏ bức xạ mặt trời, điều đó giải thích tại sao chúng không bay
hơi dưới ánh nắng. Ảnh hưởng của đám mây đến bức xạ mặt trời chủ yếu là tán xạ
và phản xạ.
Có một lượng nhỏ bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi oxy. CO
2
cũng hấp thụ một ít
bức xạ mặt trời, mặt dù việc hấp thụ và phát xạ bức xạ sóng dài của khí quyển bởi
CO
2
là quan trọng trong hiệu ứng nhà kính.

2 O
3 O
3
O
2

1 H
2
O
CO
2

mạnh hơn hoặc yếu đi nếu như có sự tồn tại của những đám mây giữa bầu trời, tùy
thuộc vào loại mây, vào số lượng các đám mây. Các đám mây mỏng, phân tán phản
xạ lại tia nắng mặt trời sẽ làm tăng cường độ tán xạ, còn các đám mây dày sẽ làm
giảm cường độ tán xạ.
Cường độ bức xạ mặt trời thông thường sẽ bị giảm khi trời có mây, nhưng nếu
mặt trời đang chiếu vào một vùng nào đó trong bầu trời mà lại có các đám mây sáng ở
gần bên, thì cường độ bức xạ mặt trời sẽ có giá trị lớn hơn so với khi trời quang.
Các biến đổi do địa lý, mùa, thiên văn của bức xạ mặt trời đối với bề mặt trái
đất được kiểm soát thông qua các tác động của đám mây theo sự di chuyển của mặt
trời. Kết quả là các nghiên cứu về những biến đổi có liên hệ mật thiết đến những
9

nghiên cứu về thời tiết, và có rất nhiều trạm quan sát khí tượng đã được xây dựng
nên để có thể có những dự báo đầy đủ về chúng.
1.2.3 Bức xạ mặt trời khi trời quang
Đây có thể xem là phần trình bày một cách đơn giản bức xa mặt trời xảy ra
trên bề mặt trái đất ở khu vực nhiệt đấy châu Á.
Các thông số chính ảnh hưởng đến cường độ bức xạ mặt trời là góc chiếu
đỉnh θ
z
của mặt trời, lượng hơi nước chứa trong khí quyển w, và hệ số vẫn đục của
không khí B.
Lượng hơi nước chứa trong khí quyển w chính là lượng nước kết tủa được
đo bằng cm. Để xác định chính xác lượng nước w cần phải có số liệu về lớp không
khí bên trên. Nếu những số liệu này không có sẵn, ta có thể dự đoán tương đương
qua công thức.
w = 0.18e
Trong đó, e là áp suất hơi nước trong khí quyển trên bề mặt trái đất và đo
bằng milibars. Ở vùng nhiệt đới ẩm và khô, w dao động từ 2cm vào mùa khô đến
5cm hoặc hơn vào mùa mưa.

2 80 0.628 0.314 0.181
5 0 0.977 0.838 0.698
5 60 0.838 0.628 0.475
5 70 0.740 0.489 0.349
5 80 0.572 0.286 0.161

Cường độ bức xạ tán xạ được xác định chủ yếu dựa vào góc chiếu đỉnh θ, hệ
số vẫn đục B, và suất phản chiếu của mặt đất tại từng vị trí. Bảng 1.3 cho biết giá trị
của cường độ tán xạ I
d
dựa vào các giá trị của θ và B khi suất phản chiếu ở mặt đất
là 0.25. Đối với các giá trị suất phản chiếu 0.1, 0.2, và 0.3, ta nhân giá trị I
d
cho
trong bảng tương ứng với các thông số hiệu chỉnh 0.90, 0.96 và 1.04 11

Bảng1.3: cường độ tán xạ
I
d
(kW/m
2
)
θ(độ) B = 0 B = 0.1 B = 0.2
0 0.063 28.1 26.3
60 0.045 28.2 30.2
70 0.034 28.2 27.3
80 0.018 23.3 18.9

một góc nào đó, còn các số liệu cho sổ tay bức xạ nhận trên mặt phẳng nằm ngang.
Vì vậy cần thiết phải tính toán dòng năng lượng tới trên mặt phẳng nghiêng từ các
số liệu thu được trên mặt phẳng nằm ngang.

N
’
;pháp tuyến mặt nghiêng N :pháp tuyến mặt cắt ngang
Tia trực xạ θ
h Hướng của
mặt ngang α θ
i

Hướng của
mặt nghiêng A
z
A
sz
P
Hướng nam β

Hình 1.5 Các góc xác định tia mặt trời tới trên mặt ngang và mặt nghiêng
1.2.5 Năng lượng tia bức xạ và trực xạ
Tỷ số của dòng năng lượng trực xạ tới mặt nghiêng và dòng năng lượng trực
xạ tới mặt phẳng ngang được gọi là “ hệ số nghiêng “ đối với tia bức xạ, được ký
hiệu bằng r
b
.

Trong đó n là số ngày của năm.
Góc azimuth γ (A
z
) là góc lệch khỏi hướng nam của tia mặt trời trên mặt phẳng
ngang
θ
z
góc Zenith , góc của tia mặt trời và pháp tuyến của mặt phẳng ngang (mặt đất)
tại vị trí quan sát, xác định thời gian quan sát
α góc độ cao mặt trời
β góc nghiêng
θ
h
là góc tới của mặt nằm ngang
θ
i
là góc tới của tia trực xạ trên mặt phẳng nghiêng
A
ZS
là góc lệch Azimuth của mặt phẳng nghiêng đang xét, đó là góc giữa hướng
nam và hình chiếu pháp tuyến của mặt phẳng nghiêng trên mặt phẳng ngang. Quy
ước góc A
ZS
>0
Khi mặt nghiêng lệch về hướng đông, và A
ZS
< 0 khi mặt phẳng nghiêng lệch về
hướng tây (hình 1.4)
ൌߩ
൬
1െܿ݋ݏߚ
2
൰
ሺ1.6ሻ
1.2.8 Năng lượng mặt trời tới mặt nghiêng
Gọi I
T
là tổng các thành phần bức xạ tới trên mặt nghiêng, thì:
I
T
= I
b
r
b
+ I
d
r
d
+ (I
b
+ I
d
)r
r
(1.7)
Trong đó : I
b
,I

௕
൅
ܫ
ௗ
ܫ
௚
ݎ
ௗ
൅ݎ
௥
ሺ1.8ሻ
Khi ứng dụng phương trình (1.7) ta cần biết hệ số phản xạ ρ, mà trong nhiều
trường hợp là không đo được. Vì vậy người ta thường thừa nhận giá trị ρ = 0.2 để
tính toán. May mắn là thành phần phản xạ chiếm tỷ lệ khá nhỏ trong tổng I
T
, nên sai
số không đáng kể.


, cao nhất khoảng 1000 W/m
2
. Trong thực tế trữ lượng
NLMT có thể sử dụng là khoảng 170 TOE/năm, ở quy mô toàn cầu thì năng lượng
17

này không lớn lắm, nhưng nó lại có ý nghĩa đối với các quốc gia mạng lưới phân
phối điện năng vẫn còn thưa thớt như: Ấn Độ, Trung Quốc hoặc Châu Phi.
Khả năng ứng dụng NLMT thay đổi theo từng vùng miền, điều kiện thời
tiết. Nếu tính trung bình cho toàn bộ diện tích trái đất, trong vòng 24 giờ, một ngày,
trung bình 1m
2
nhận được 4,2 kWh. Ở sa mạc, không khí rất khô và có ít mây che
phủ, nguồn NLMT là nhiều nhất, hơn 6,0 kWh/ngày/m
2
. Ánh sáng mặt trời cũng
thay đổi theo mùa, có những vùng nhận được rất ít nguồn NLMT vào mùa đông chỉ
khoảng 0,7 kWh/ ngày.
Bảng 2.1 Năng lượng mặt trời tỏa đến trái đất và con người sử dụng hàng năm
Năng lượng mặt trời 3,850,000 EJ
Năng lượng gió 2,250 EJ
Năng lượng sinh học 3,000 EJ
Năng lượng chính sử dụng (2005) 487 EJ
Năng lượng điện (2005) 56.7 EJ

Số năng lượng mặt trời hấp thụ mỗi năm bởi bầu khí quyển, đại dương và
các vùng đất là khoảng 3.850.000 exajoules (EJ = 1018J), số liệu trong năm 2002.
Mức năng lượng mặt trời tỏa xuống trái đất trong 1 giờ nhiều hơn năng lượng thế
giới sử dụng trong một năm. Năng lượng mặt trời đến bề mặt của trái đất lớn gấp
đôi so với tổng tất cả nguồn năng lượng hóa thạch của trái đất như: than, dầu, khí

được thiết kế dạng cấu trúc đồng hồ mặt trời và đáp
ứng yêu cầu sử dụng năng lượng tái sử dụng để thay thế các loại nhiên liệu hóa
19

thạch gây ô nhiễm môi trường. Tòa nhà cung cấp không gian cho các trung tâm
triển lãm, khu vực nghiên cứu, trung tâm hội họp và huấn luyện và một khách sạn.
2.2.2 Cầu đi bộ sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 2.2 Cầu đi bộ Kurilpa
Cầu sử dụng hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED được lập trình để tạo ra một
loạt các hiệu ứng ánh sáng khác nhau. Hệ thống chiếu sáng tiết kiệm năng lượng sử
dụng 84 panel mặt trời phát điện với công suất khoảng 100KW/giờ mỗi ngày và
trung bình 38MW/giờ mỗi năm. Lượng điện thừa có được từ các panel mặt trời sẽ
được chuyển sang cho mạng lưới điện quốc gia (hệ thống đèn LED chỉ sử dụng
75% điện năng mặt trời).
2.2.3 Tàu 3 thân

Hình 2.3 Thuyền Planet Solar
20

Tàu dài 30m, rộng 15m và các tế bào năng lượng mặt trời được lắp trên phần
nóc rộng 508m
2
. Các panel mặt trời có khả năng sản xuất ra 1.000 watt điện mỗi
ngày. Lượng điện thừa ra sẽ được trữ trong những bình điện giúp chiếc tàu nặng 58
tấn này tiếp tục hành trình mà không cần ánh nắng mặt trời trong vòng 3 ngày. Tàu
chạy với tốc độ khoảng 18km/giờ.
Đây cũng chính là con thuyền đã xuất phát từ Monte Carlo (Monaco) vào
ngày 27/9/2010, để thực hiện cuộc hành trình vòng quanh thế giới với thông điệp về
chống biến đổi khí hậu. Trên hành trình du ngoạn, Planet Solar đã ghé qua thành