1.3. THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.3.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm,
nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ
thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời,
những vùng sa mạc. Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và
1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên
phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện
nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:
• Pin mÆt trêi
Hình 1.23. Hệ thống pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện
trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi
quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là
gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng
mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ
trụ. ứng dụng NLMT dưới dạng này được
phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các
nước phát triển. Ngày nay con người đã
ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay thế
dần nguồn năng lượng truyền thống.
Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn
khá cao, trung bình hiện nay khoảng
5USD/WP, nên ở những nước đang phát
triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng
duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử
dụng cho các vùng sâu, vùng xa nơi mà
đường điện quốc gia chưa có.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công
việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh
hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu

lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “tháp
năng lượng mặt trời - Solar Power Tower“.
Australia đang tiến hành dự án xây dựng
một tháp năng lượng mặt trời cao 1km với
32 tuốc bin khí có tổng
công suất 200 MW. Dự tính đến năm 2008
tháp năng lượng mặt trời này sẽ cung cấp
điện mỗi năm 650GWh cho 200.000 hộ gia
đình ở miền tây nam New South Wales -
Australia, và sẽ giảm được 700.000 tấn khí
gây hiệu ứng nhà kính trong mỗi năm
• Thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời
Hình 1.26. Thiết bị sấy bằng NLMT
Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ
biến trong lĩnh nông nghiệp để sấy
các sản phẩm như ngũ cốc, thực
phẩm, rau quả ... nhằm giảm tỷ lệ hao
hụt và tăng chất lượng sản phẩm.
Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản,
NLMT còn được dùng để sấy các loại
vật liệu như gỗ.
27
Hình 1.24. Nhà máy điện mặt trời
Hình 1.25. Tháp năng lượng mặt trời
• Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT
như ở Châu Phi.
H×nh 1.27. TriÓn khai bÕp nÊu c¬m b»ng NLMT.
Ở Việt Nam việc ứng dụng
bếp năng lượng mặt trời cũng

nước biển và cung cấp nước
sạch dùng cho sinh hoạt ở
những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị
chưng cất
NLMT có gương phản xạ tại một số tỉnh phía Nam và ở hải đảo
28
H×nh 1.28. ThiÕt bÞ ch ng cÊt n íc− −
dïng NLMT
• Động cơ Stirling chạy bằng NLMT
Việc sử dụng NLMT để chạy các
động cơ nhiệt - động cơ Stirling
ngày càng được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi dùng để bơm nước
sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại.
Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy
bằng NLMT cũng đã được nghiên
cứu chế tạo để triển khai ứng dụng
vào thực tế, như động cơ Stirling cho
bơm nước dùng năng lượng mặt trời.
Hình 1.29. Động cơ stirling dùng
NLMT
• Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT
Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để
đun nước nóng. Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều
nước trên thế giới.
Hình 1.30. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT
Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng
dụng rộng rãi ở Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng (hình 1.29). Các hệ thống này
đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn
trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi

nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt
hệ thống cần phải rộng.
1.3.2 . Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng
tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên
và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt
năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng
hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong
những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với
những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển.
Năng lượng mặt trời (NLMT)- nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang
được loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả
các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là
vấn đề có tính thời sự.
Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc,
nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá
lớn từ 100 - 175 kcal/cm
2
.năm (4,2 -7,3GJ/m
2
.năm) do đó việc sử dụng NLMT ở nước
ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam
30
Hình 1.31. Tủ lạnh dùng pin mặt trời
hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có
gương phản xạ và đặc biệt là hệ thống cung cấp nước nóng kiểu tấm phẳng hay kiểu
ống có cánh nhận nhiệt. Nhưng nhìn chung các thiết bị này giá thành còn cao, hiệu
suất còn thấp nên chưa được người dân sử dụng rộng rãi. Hơn nữa, do đặc điểm phân
tán và sự phụ thuộc vào các mùa trong năm của NLMT, ví dụ: mùa đông thì cần nước
nóng nhưng NLMT ít, còn mùa hè không cần nước nóng thì nhiều NLMT do đó

vận hành.
- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế: về mặt lý thuyết, NLMT là một
nguồn năng lượng sạch, rẻ tiền và tiềm tàng, nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang lại lợi
ích kinh tế và môi trường rất lớn. Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tương đối hoàn
chỉnh. Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trình làm
việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất
khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Đặc biệt là trong kỹ thuật lạnh và điều tiết
không khí, vấn đề nghiên cứu đưa ra bộ thu năng lượng mặt trời để cấp nhiệt cho chu
trình máy lạnh hấp thụ đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nhằm đưa ra
bộ thu hoàn thiện và phù hợp nhất để có thể triển khai ứng dụng rộng rãi vào thực tế.
31
1.4. TÍNH TOÁN MỘT SỐ THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.4.1. Bộ thu năng lượng mặt trời (collector mặt trời)
1.4.1.1. Nguyên lý chuyển hoá quang nhiệt của collector mặt trời
Các quá trình chuyển hoá quang nhiệt dựa trên một trong hai nguyên lý sau:
* Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính
Bộ phận thu nhiệt có cấu tạo như một chiếc hộp (hình 1.32) gồm tấm che làm
bằng vật liệu trong suốt như kính hoặc vật liệu tổng hợp PVC (màng mỏng polyetilen
hoặc nhựa cứng), mặt đáy được làm bằng vật liệu hấp thụ nhiệt, có thể là kim loại sơn
đen hoặc vật liệu tương tự có bề mặt đen không bóng. Khi có bức xạ mặt trời chiếu
qua tấm che trong suốt thì phần lớn phổ bức xạ sẽ đi qua tấm che vì các tia bức xạ
mặt trời đi đến bề mặt colector hầu hết có bước sóng ngắn với λ < 3 μm và được hấp
thụ bởi bề mặt bôi đen nằm dưới đáy. Sau khi bị đốt nóng tấm hấp thụ phát ra các tia
bức xạ có bước sóng dài hơn, những tia bức xạ này sẽ bị giữ lại trong bộ thu nhiệt bởi
tấm che theo hiệu ứng lồng kính. Nếu không có tấm che thì bức xạ nhiệt sẽ tản ra môi
trường và nhiệt độ của mặt hấp thụ sẽ ổn định ở giá trị không cao. Nhờ có tấm che
trong suốt ngăn bức xạ có bước sóng dài nên nhiệt độ trong bộ thu nhiệt tăng dần.
Nếu tăng số tấm che trong suốt lên 2 đến 3 lần thì nhiệt độ trong bộ thu nhiệt càng
cao.


• Collector phẳng: Collector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng dạng tấm phẳng.
Hình 1.33 trình bày sơ đồ cấu tạo chung của collector phẳng.
Hình 1.33. Sơ đồ cấu tạo của collector phẳng.
Tấm che được làm bằng thuỷ tinh hay bằng vật liệu trong suốt khác. Nhiệm vụ
cơ bản của các tấm che là tạo ra hiệu ứng lồng kính để làm giảm bớt tổn thất năng
lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của colletor ra ngoài môi trường, đồng thời góp phần
hạn chế tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu. Các tấm che này phải có độ trong suốt
cao để cho các tia bức xạ xuyên qua ở mức tối đa. Tuỳ theo mức nhiệt độ làm việc
của ollector mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N. Khi nhiệt độ làm việc càng
cao thì N càng lớn, giá tri phổ biến của N là từ 1 đến 2. Trong một vài trường hợp có
thể người ta không cần dùng đến tấm che.
Bề mặt hấp thụ là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền lại cho môi chất
làm việc (không khí hoặc chất lỏng). Thông thường bề mặt này được sơn mầu đen. Để
gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược lại từ
bề mặt hấp thụ người ta có thể dùng các loại sơn chuyên dụng để tạo nên bề mặt hấp
thụ chọn lọc (selective surface).
33
Lớp cách nhiệt đặt ở mặt dưới của collector để giảm tổn thất nhiệt theo hướng
đáy của collector, ngoài ra có thể bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các cạnh bên
của collector.
So với các loại collector khác thì collector dạng tấm phẳng có một số ưu điểm
như: có thể hấp thụ tất cả các loại tia bức xạ, không cần quay theo mặt trời, dễ gia
công, không cần bảo trì thường xuyên và giá thành khá rẻ.
Collector phẳng được chia thành nhiều loại, sau đây là một số loại collector
phẳng sử dụng phổ biến:
- Collector tấm trần:
Hình 1.34. Collector tấm trần
Loại collector tấm trần không cần tấm che, tấm hấp thụ nằm phía trên, dòng
khí chuyển động phía dưới của tấm hấp thụ, tổn thất bức xạ và đối lưu lớn ở trên bề
mặt, thích hợp cho việc tăng nhiệt độ khoảng 3 ÷ 5 (

thước của tấm hấp thụ là yếu tố được quan tâm nhất khi tính toán thiết kế.
35
Bức xạ mặt trời
• Collector dạng tập trung:
Cấu tạo của collector dạng tập trung gồm hai phần (hình 1.39): Bề mặt thu nhận
(bề mặt hứng các tia trực xạ) và bề mặt tiếp nhận. Bề mặt thu nhân có nhiệm vụ hứng
các tia trực xạ và hội tụ thành một điểm hoặc một đường tại đó có đặt một mặt tiếp
nhận. Mặt tiếp nhận có tác dụng hấp thụ và bị làm nóng bởi các tia bức xạ từ mặt thu
nhận hội tụ lại tại mặt tiếp nhận này và chuyển thành nhiệt.
Nhìn chung, nhiệt độ làm việc của collector dạng tập trung lớn hơn so với nhiệt
độ làm việc của collector dạng tấm phẳng. Vì vậy, người ta thường thay thế collector
dạng tấm phẳng bằng collector dạng tập trung khi nhiệt độ làm việc vượt quá 100
o
C.
Về nguyên tắc, collector dạng tập trung cần phải được cho quay theo mặt trời nhằm
đảm bảo các tia trực xạ có thể được phản chiếu tốt nhất đến bề mặt tiếp nhận của
collector.
Hình 1.39. Collector tập trung
Khi nghiên cứu về collector dạng tập trung này ta cần phải chú ý đến một thông
số đặc biệt thể hiện tính đặc thù của loại collector nay, đó là tỷ số giữa diên tích bề
mặt hứng các tia trực xạ A
a
và diện tích bề mặt tiếp nhân A
r
, ta gọi đó là tỷ số tập
trung CR (Concentration Ratio)
Khi đó ta có: CR =
Collector dạng tập trung có hai loại điển hình là dạng chỏm cầu (mặt tròn xoay)
và dạng lòng máng. Loại chỏm cầu có độ hội tụ cao, hội tụ về 1 điểm có nghĩa là có tỷ
số CR cao do đó cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng ngàn độ. Còn loại lòng máng

- Loại bề mặt hấp thụ dạng dãy ống có kết quả thích hợp nhất về hiệu suất hấp
thụ nhiệt, giá thành cũng như chi phí chế tạo. Tuy nhiên nếu trong trường hợp không
có điều kiện để chế tạo thì có thể chọn loại bề mặt hấp thụ dạng loại hình rắn. Bề mặt
hấp thụ dạng tấm cũng có kết quả tốt như dạng dãy ống nhưng đòi hỏi nhiều công và
khó chế tạo hơn.
- Tấm hấp thụ dạng dãy ống được đan xen vào tấm hấp thụ có hiệu quả cao
nhất. Ngoài ra có thể gắn tấm hấp thụ và ống hấp thụ bằng phương pháp hàn sẽ cho
hiệu quả hấp thụ cao hơn nhưng tốn thời gian và giá thành chế tạo cao hơn.
• Tính toán bộ thu phẳng
Khảo sát panel mặt trời với hộp thu kích thước a × b × δ, khối lượng m
0
, nhiệt
dung riêng C
0
, được làm bằng thép dày δ
t
, bên trong gồm chất lỏng tĩnh có khối lượng
m và lưu lượng G chảy liên tục qua hộp. Xung quanh hộp thu bọc một lớp cách nhiệt,
hệ số toả nhiệt ra không khí α. Phía trên mặt thu F
1
= ab với độ đen ε là một lớp
không khí và một tấm kính có độ trong D. Chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của các lớp
này là δ
c
, δ
k
, δ
K
và λ
c

k
,δ
K
, λ
c
, λ
k
,λ
K
, α, t
0
, ω, E
n
).
Tấm hấp thụ
Dây liên kết
Bề mặt trao đổi
nhiệt hình rắn
Bề mặt trao đổi
nhiệt dạng dãy ống
Tấm hấp thụ
Bề mặt trao đổi
nhiệt dạng tấm
a)
b)
c)
τ
Các giả thiết khi nghiên cứu:
- Panel được đặt cố định sao cho mặt thu F
1

1,3α

ω
E(
τ)
ϕ(
τ)
ϕ
o
δ
κ

,
λ
κ
δ
,

m

,

C
p
GC
P
t
o

α

2
= 2δ(a + b) với hệ số truyền nhiệt k
3
= k
2
= , qua mặt thu F
1
= ab với
k
1
= .
Vậy tổng nhiệt lượng tổn thất ra môi trường δQ
2
= (k
1
F
1
+ k
2
F
2
+ k
3
F
3
)(t – t
o
)dτ.
Phương trình cân bằng nhiệt:
δQ

(ωτ) (1.29)
Hình 1.42. Mô hình tính toán bộ thu phẳng
t
m
o

,

C
o
,

a
b
δ
δ
c

,
λ
c
ε
1

F
1
=

a
b

ε D E F P
=
m C C
∑
p i
i i
GC + k F
W
=
m C C
i
∑
∑
với điều kiện đầu T(0) = 0
Khi panel động được quay để diện tích hứng nắng luôn bằng F
1
thì mặt F
1
hấp thụ
được: δQ
1
= ε
1
DE
n
sinωτ.F
1
dτ (J). Do đó tương tự như trên, phương trình cân bằng nhiệt
cho panel động có dạng:
T’(τ) + bT(τ) = a sin(ωτ) (1.30)

được xác định theo điều kiện đầu T(0) = 0 hay A(0) = 0, tức là
1
2
1
1 ( / 2 )
C
b
ω
=
+
. Do đó, hàm phân bố nhiệt độ trong panel tĩnh có dạng:
T(τ) =
( )
2 2 2
1 2 sin 2 cos2
2 4 1 ( / 2 )
bt
a b e
b
b b b
ω ωτ ωτ
ω ω
−
 
− + −
 
+ +
 
(1.31)
Nếu dùng phép biến đổi (Asinx + Bcosx) =

(1.32)
Số hạng cuối cùng của tổng có giá trị nhỏ hơn 1 và giảm rất nhanh nên khi
τ >1h có thể bỏ qua.
Hàm nhiệt độ trong panel động là nghiệm của hệ phương trình (1.2) được tìm như
cách trên sẽ có dạng:
T
đ
(τ) =
2
2
sin
1 ( / 2 )
1 ( / )
bt
a b e
artg
b
b b
ωτ
ω ω
ω
−
 
 
+ −
 ÷
 
+
 
+