ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

 BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ MÁY ĐUN NƯỚC

BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

(A Design of Solar Energy Water Heater)

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với tốc độ phát triền nhanh chóng của các ngành công nghiệp nặng, nhu cầu năng lượng không ngừng tăng cao, việc khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch tác động nặng nề đến hàng loạt vấn đề về môi trường mà con cháu chúng ta mai sau sẽ phải là người lãnh nhận.

Trong xu thế phát triển bền vững, sử dụng các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo thân thiện môi trường như năng lượng Mặt Trời đã và đang được nghiên cứu tận dụng tối đa trong ứng dụng vào sản xuất và cuộc sống sinh hoạt hàng ngày. Việc sử dụng năng lượng Mặt Trời không chỉ tiết kiệm chi phí bỏ ra mà còn là một hành động thể hiện ý thức bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu của mỗi cá nhân.Những năm gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ năng lượng Mặt Trời đã trở nên phổ biến rộng rãi khắp Thế Giới, hàng trăm hàng ngàn các cánh đồng năng lượng Mặt Trời được trên khắp các quốc gia và vùng lãnh thổ. Đánh dấu bước chuyển biến, dần ngưng lệ thuộc vào các nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.

Việt Nam là một trong những quốc gia có lượng bức xạ ánh nắng Mặt Trời nhiều nhất trong biểu đồ bức xạ Mặt Trời Thế Giới. Điều đó tạo thuận lợi cho ta về việc ứng dụng năng lượng Mặt Trời trong đời sống sinh hoạt hằng ngày, điển hình là việc đun sôi nước sử dụng.Việc nghiên cứu thiết kế và ứng dụng năng lượng Mặt Trời trong đun sôi nước có thể giúp chúng ta tiết kiệm được nguồn điện, nguồn nhiên liệu hóa thạch được đốt, hạn chế phát thải khí CO₂ ra môi trường đồng thời giải quyết được nhu cầu năng lượng trong xu thế phát triển bền vững của Thế Giới.Nhận thấy tiềm năng to lớn ấy, luận văn này được thực hiện không với một tham vọng nào lớn lao hơn ngoài việc có thể góp một phần công sức nhỏ nhoi vào xu thế sử dụng năng lượng sạch và phát triển bền vững của nhân loại nói chung và Việt Nam nói riêng.

TÓM TẮT LUẬN VĂN

 Luận văn “Thiết kế máy đun nước bằng năng lượng Mặt Trời” cung cấp một bản thiết kế khác với những bản thiết kế máy đun nước bằng năng lượng Mặt Trời hiện có trên thị trường. Bản thiết kế này giúp nâng cao nguồn nhiệt hấp thụ trong cùng một diện tích hứng nắng so với các dòng máy hiện nay bằng cách sử dụng một gương tập trung năng lượng và truyền động cho gương luôn hướng về phía Mặt Trời. Luận văn được chia làm bốn chương và phần kết luận với nội dung cụ thể như sau:

Chương I: Tổng quan về năng lượng Mặt Trời

Chương I tập trung nghiên cứu tổng quan và khảo sát tính khả thi của việc sử dụng năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam, khảo sát các loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời đã có bán trên thị trường, phân tích ưu nhược điểm của mỗi loại và từ đó đánh giá tính cần thiết của đề tài.

Chương II: Yêu cầu kỹ thuật

Chương II đánh giá nhu cầu sử dụng và đối tượng khách hàng chính, đề ra tiêu chí thiết kế và các chỉ tiêu ràng buộc để định hướng lên ý tưởng và chọn vật liệu thiết kế phù hợp.

 Chương III: Thiết kế bộ phận tập trung năng lượng

Chương III phân tích ưu nhược điểm của từng phương án tập trung năng lượng từ đó chọn ra phương án tối ưu nhất để thiết kế, tính toán khả năng hội tụ, năng suất đun sôi nước trong ngày và tính toán tải trọng làm quay gương.

 Chương IV: Thiết kế hệ thống truyền động

Chương IV phân tích ưu nhược điểm của từng phương án truyền động, chọn ra phương án phù hợp và tiến hành tính toán phân phối tỷ số truyền, đề ra thông số thiết kế và tải trọng, phân tích lực học, động học cơ cấu truyền động để thiết kế các chi tiết máy và bộ truyền của hệ thống.

Kết luận

Phần Kết luận đánh giá tổng kết những gì luận văn đã làm được và đề ra hướng phát triển tiềm năng của sản phẩm.

 

MỤC LỤC

Đề mục                                                                                                           Trang

           

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

LỜI MỞ ĐẦU.. i

TÓM TẮT LUẬN VĂN.. ii

MỤC LỤC. iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH.. v

DANH MỤC BẢNG BIỂU.. vi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI1

1.1        Sơ lược về sử dụng Năng lượng Mặt Trời1

1.2        Tình hình sử dụng Năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam   1

1.2.1    Tiềm năng Năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam.. 1

1.2.2    Tình hình ứng dụng. 5

1.3        Tổng quan về các máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời6

1.3.1    Cấu tạo các loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời hiện nay. 6

1.3.2    Phân loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời7

1.4        Tính cần thiết của đề tài10

CHƯƠNG 2: YÊU CẦU KỸ THUẬT. 12

2.1        Đối tượng khách hàng và nhu cầu. 12

2.2        Tiêu chí thiết kế. 12

2.3        Các chỉ tiêu ràng buộc. 13

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ PHẬN TẬP TRUNG NĂNG LƯỢNG   14

3.1        Chọn loại thiết bị hội tụ năng lượng. 14

3.1.1    Phương án 1: Gương phản xạ tuyến tính hoặc thấu kính Fresnel14

3.1.2    Phương án 2: Hệ thống tháp tập trung năng lượng  15

3.1.3    Phương án 3: Thiết bị tập trung năng lượng dạng máng Parabol16

3.1.4    Phương án 4: Thiết bị tập trung năng lượng dạng máng trụ tròn. 17

3.1.5    Phương án 5: Thiết bị tập trung năng lượng dạng chảo Paraboloid. 18

3.1.6    Kết luận phương án. 19

3.2        Lựa chọn vật liệu chế tạo gương parabol hội tụ và ống hấp thụ nhiệt20

3.3        Tính toán biên dạng và kích thước cơ bản của gương  21

3.4        Tính toán kết cấu và tải trọng làm quay gương. 23

3.4.1    Kết cấu khung gương. 23

3.4.2    Tính toán đối trọng cho gương. 30

3.4.3    Tải trọng làm quay gương. 32

3.5        Khả năng hội tụ của gương. 33

_3.5.1        Giá trị nhiệt lượng bức xạ Mặt Trời đến bề mặt Trái Đất34

3.5.2    Năng lượng hấp thụ lý thuyết38

3.5.3    Hiệu suất38

3.5.4    Tính toán năng suất đun sôi nước. 40

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG.. 42

4.1        Sơ đồ động và thông số thiết kế. 42

4.1.1    Phương án 1: Sử dụng nguyên lý điều khiển vòng kín  42

4.1.2    Phương án 2: Sử dụng hộp giảm tốc bánh răng hành tinh  44

4.2        Chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền cho hệ thống truyền động. 46

4.3        Tính toán hệ thống truyền động. 49

4.3.1    Bộ truyền đai thang. 49

4.3.2    Bộ truyền bánh răng hành tinh cấp chậm.. 52

4.3.3    Bộ truyền bánh răng hành tinh cấp nhanh. 61

4.3.4    Điều kiện bôi trơn của bộ truyền bánh răng. 70

4.3.5    Lực tác dụng lên bộ truyền. 71

4.3.6    Trục V.. 73

4.3.7    Trục I77

4.3.8    Trục III81

4.3.9    Trục II85

4.3.10  Trục IV.. 90

4.3.11  Kiểm nghiệm bánh răng ly hợp. 95

KẾT LUẬN.. 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 99

 

DANH MỤC HÌNH ẢNH

 

Hình 1.1 Cường độ bức xạ của các quốc gia trên Thế Giới. [3]2

Hình 1.2 Bản đồ bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam [3].4

Hình 1.3 Nguyên lý chung máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời hiện nay.6

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng  ống chân không.7

Hình 1.5 Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không.7

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống dầu.8

Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của  máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng tấm phẳng.10

Hình 3.1 Thấu kính Fresnel và gương phản xạ tuyến tính Fresnel [5]15

Hình 3.2 Hệ thống tháp tập trung năng lượng. [6]16

Hình 3.3 Hiện tượng lệch giao điểm khi tia sáng Mặt Trời chiếu thẳng góc (a) và khi tia sáng mặt  trời chiếu lệch một góc với pháp tuyến mặt gương (b). [9]16

Hình 3.4 a) Tia tới lệch góc 60^o; b) Tia tới lệch góc 30; c) Tia tới thẳng góc [5].18

Hình 3.5 Thiết bị tập trung năng lượng dạng chảo Paraboloid.19

Hình 3.6  Vùng hội tụ ánh sáng của gương parabol khi tia tới bị lệch so với phương thẳng đứng do sai số chế tạo và lắp đặt.21

Hình 3.7 Biên dạng của gương parabol22

Hình 3.8 Mặt bên khung gương được mô phỏng bằng Solidworks 2016.23

Hình 3.9 Khung giữa được mô phỏng bằng Solidworks 2016. 24

Hình 3.10 Thanh nối được mô phỏng bằng Solidworks 2016.24

Hình 3.11 Biểu đồ nội lực và momen thanh đơn chịu lực phân bố đều trên 2 gối tựa.26

Hình 3.12 Cụm khung gương mô phỏng bằng Solidworks 2016.29

Hình 3.13 Cụm khung gương đã lợp tấm nhôm phản quang.29

Hình 3.14 Hệ trục toạ độ Oxyz của khung gương.30

Hình 3.15 Kết quả tính toán bằng Mass Properties của Solidworks trước và sau khi lắp đối trọng.32

Hình 3.16 Các thông số xác định vị trí Mặt Trời [9].34

Hình 3.17 Các góc của Mặt Trời. [8]35

Hình 4.1 Sơ đồ khối phương án 1.42

Hình 4.2 Sơ đồ động học của hệ thống truyền động cơ khí theo phương án 1.43

Hình 4.3 Sơ đồ động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời.45

Hình 4.4 Sơ đồ động hệ thống truyền động hộp giảm tốc bánh răng hành tính.45

Hình 4.3 Cơ cấu bánh răng hành tinh với hai bánh hành tinh ăn khớp ngoài46

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Hệ số phản xạ đối với ánh sáng trắng của một số vật liệu [5].20

Bảng 3.2 Giá trị nhiệt bức xạ Mặt Trời ứng với góc thiên độ.35

Bảng 3.3 Giá trị góc thiên đỉnh  ứng với ngày của các tháng mùa khô.36

Bảng 3.4 Giá trị góc thiên đỉnh  ứng với ngày của các tháng mùa mưa.36

Bảng 3.5 Khu vực khảo sát chọn thành phố Hồ Chí Minh, nên giá trị T_R được lấy theo khu vực thành phố [9].37

Bảng 3.6 Giá trị bức xạ nhiệt đến bề mặt Trái Đất vào các tháng mùa khô.37

Bảng 3.7 Giá trị bức xạ nhiệt đến bề mặt Trái Đất vào các tháng mùa mưa. 37

Bảng 4.1 Các cơ cấu truyền động bánh răng hành tinh. [10]44

Bảng 4.2 Đặc tính hệ thống truyền động.49

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1          Sơ lược về sử dụng Năng lượng Mặt Trời

Những nguồn năng lượng hiện đang được con người khai thác sử dụng trong đời sống và sản xuất như than, dầu, khí thiên nhiên không phải là vô tận trong lòng đất. Trữ lượng dầu Thế Giới đã được chứng minh là 1341 tỷ thùng (2009), trữ lượng than Thế Giới là 948.000 triệu tấn (2008), và trữ lượng khí thiên nhiên Thế Giới là 178,3 nghìn tỷ m3 (2009). Tỷ lệ sản xuất hiện tại tương đương với 87,4 triệu thùng/ngày đối với dầu, 21,9 triệu tấn / ngày đối với than và 9,05 tỷ m³ / ngày đối với khí thiên nhiên. Do vậy với mức tiêu thụ hiện tại, dầu và khí sẽ đủ để đáp ứng nhu cầu chỉ lần lượt là 42 và 54 năm; trữ lượng than ở trong tình trạng tốt hơn, chúng sẽ đủ cho ít nhất 120 năm tới. Vấn đề này đã được đặt ra một cách nghiêm túc trước tình hình tiêu thụ năng lượng ngày một tăng trên Thế Giới và đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều nước trên Thế Giới hiện nay. Việc tìm các nguồn năng lượng mới được đưa vào chương trình nghiên cứu khai thác có nhiều dạng năng lượng mà con người đã quen dùng từ thời xưa như năng lượng Mặt Trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt,…

Nhờ vào việc phát triển khoa học công nghệ, con người đã tìm ra một nguồn năng lượng gần như vĩnh cửu – năng lượng Mặt Trời. Theo tính toán của NASA, Mặt Trời còn có thể cung cấp năng lượng cho chúng ta trong khoảng 6,5 tỷ năm nữa. Nói cách khác, năng lượng Mặt Trời gần như vô tận, dư thừa để đáp ứng nhu cầu về năng lượng của nhân loại cho muôn vàn thế hệ về sau. Mặt Trời chiếu sáng hầu như khắp mọi nơi, tuy nhiên tính chất của việc chiếu sáng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau và thường phân bố không đều trên quy mô lớn cũng như trong từng vùng lãnh thổ. Trên bản đồ phân bố tiềm năng năng lượng Mặt Trời trên Thế Giới, ta thấy tiềm năng cao nhất ở các vùng cận xích đạo và xích đạo. Bên cạnh đó, đây còn là một nguồn năng lượng sạch; việc sản xuất năng lượng Mặt Trời cũng có ưu điểm hơn các loại năng lượng khác ở việc không sử dụng các loại động cơ gây tiếng ồn.

Việc ứng dụng năng lượng Mặt Trời vào sử dụng đang là một xu hướng đối với các quốc gia trên Thế Giới. Điển hình, 4 trong 5 nước có GDP cao nhất Thế Giới là các cường quốc về sản xuất năng lương Mặt Trời. Đứng đầu danh sách là Đức (38,25 MW),Ý ( 18,622 MW ), Trung Quốc (28,330 MW), Nhật (23,409 MW), Hoa Kỳ (18,317 MW). [1]

1.2          Tình hình sử dụng Năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam

1.2.1     Tiềm năng Năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam

Tài nguyên nhiên liệu và năng lượng là nguồn lực cơ bản đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của đất nước, quốc gia nào giàu có về nguồn tài nguyên này là cơ sở tiền đề tốt nhất cho đáp ứng đầu vào của hệ thống kinh tế, nhưng cũng đặt ra nhiều thách thức về chính trị và an ninh quốc phòng. Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa Đông Nam Á, có nguồn tài nguyên nhiên liệu-năng lượng đa dạng đầy đủ các chủng loại như than, dầu khí, thủy điện và các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng Mặt Trời. Trong khi các dự án nguồn thủy điện lớn đã được khai thác tối đa, các dự án nhiệt điện than phải đối mặt với áp lực về môi trường thì việc phát triển các nguồn năng lượng

Hình 1.1 Cường độ bức xạ của các quốc gia trên Thế Giới. [3]

tái tạo, trong đó có năng lượng Mặt Trời, đang là hướng đi mới tại Việt Nam.

Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng Mặt Trời, theo Hiệp hội Năng lượng sạch Việt Nam, nước ta là một trong những quốc gia có ánh nắng Mặt Trời nhiều nhất trong biểu đồ bức xạ Mặt Trời Thế Giới, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ Mặt Trời trung bình khoảng 5 kWh/m². Trong khi đó cường độ bức xạ Mặt Trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m² do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân . Ở Việt Nam, bức xạ Mặt Trời trung bình 150 kcal/m² chiếm khoảng 1.700 – 2500 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ tấn dầu tương đương (Ton of Oil Equivalent- TOE) . Trong đó:

• Vùng Tây Bắc:
• Nhiều nắng vào các tháng 8. Thời gian có nắng dài nhất vào các tháng 4,5 và 9,10. Các tháng 6,7 rất hiếm nắng, mây và mưa rất nhiều. Lượng tổng xạ trung bình ngày lớn nhất vào khoảng 5,234 kWh/m²/ngày và trung bình trong năm là 3,489 kWh/ m²/ngày.
• Vùng núi cao khoảng 1500m trở nên thường ít nắng. Mây phủ và mưa nhiều, nhất là vào khoảng tháng 6 đến thàng 1. Cường độ bức xạ trung bình thấp (< 3,489 kWh/ m²/ ngày).
• Vùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ:
• Ở Bắc Bộ, nắng nhiều vào tháng 5. Còn ở Bắc Trung bộ càng đi sâu về phía Nam thời gian nắng lại càng sớm, nhiều vào tháng 4.
• Tổng bức xạ trung bình cao nhất  ở Bắc Bộ khoảng từ thàng 5, ở Bắc Trung Bộ tù tháng 4. Số giờ nắng trung bình thấp nhất là trong tháng 2. 3 khoảng 2h/ngày, nhiều nhất vào tháng 5 với khoảng 6 – 7h/ngày và duy trì ở mức cao từ tháng 7.
• Vùng Trung Bộ:
• Từ Quảng Trị đến Tuy Hòa, thời gian nắng nhiều nhất vào các tháng giữa năm với khoảng 8 – 10h/ngày. Trung bình từ tháng 3 đến tháng 9, thời gian nắng từ  5 – 6 h/ngày với lượng tổng xạ trung bình trên 3,489 kWh/ m²/ngày (có ngày đạt 5,815 kWh/ m²/ngày).
• Vùng phía Nam:
• Ở vùng này, quanh năm dồi dào nắng. Trong các tháng 1, 3, 4 thường có nắng từ 7h sáng đến 17h. Cường độ bức xạ trung bình thường lớn hơn 3,489 kWh/ m²/ngày. Đặc biệt là các khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 5,815 kWh/ m²/ngày trong thời gian 8 tháng/năm. [2]

Hình 1.2 Bản đồ bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam [3].

 

Tóm lại, Việt Nam và đặc biệt miền nam 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/cm².năm, do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Giải pháp sử dụng năng lượng Mặt Trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu nhất. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao. Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin Mặt Trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt.

1.2.2     Tình hình ứng dụng

 Có bốn dạng công nghệ năng lượng Mặt Trời hiện đang có mặt trên thị trường Việt nam. Đó là công nghệ năng lượng Mặt Trời:

-        Quy mô hộ gia đình.

-        Quy mô thương mại sử dụng cho các khách sạn, nhà hàng, bệnh viện, quân đội và các trung tâm dịch vụ, cho làng mạc.

-        Cụm pin Mặt Trời nhỏ như đèn công cộng, âm thanh, tivi và trạm cho sạc pin.

-        Nhà máy phát điện nối lưới.

Từ năm 1990, Phân viện Vật lý Tp.HCM đã triển khai các dự án điện Mặt Trời áp dụng vào các công trình công cộng như nhà văn hóa, bệnh viện tại Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, nơi mà lưới điện và tình hình kinh tế của người dân còn gặp nhiều khó khăn. Trên một số vùng hải đảo, như đảo Thiềng Liềng - xã Cần Gáo - huyện Cần Giờ, công trình điện Mặt Trời cũng đã cung cấp điện được cho hơn 50% hộ dân sống trên đảo. Đến năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại buôn Chăm - xã Eahsol - huyện Eahleo - tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện Mặt Trời. Viện năng lượng EVN cũng đã thực hiện dự án phát điện lai ghép giữa pin Mặt Trời và động cơ gió với công suất 9kW đặt tại làng Kongu 2 - huyện Đắk Lắk - tỉnh Kontum, góp phần cung cấp điện cho đồng bào dân tộc thiểu số.

Từ thành công của những dự án này, Viện năng lượng EVN kết hợp với Trung tâm năng lượng mới của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai ứng dụng dàn pin Mặt Trời tại các hộ dân và trạm biên phòng của đảo Cô Tô (tỉnh Quảng Ninh). Đồng thời, thực hiện dự án “Ứng dụng thí điểm điện Mặt Trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, huyện Lộc Bì, tỉnh Lạng Sơn. Trong khuôn khổ của chương trình hợp tác điện Mặt Trời giữa Bộ Ngoại giao Pháp, Điện lực Pháp và Liên minh Châu Âu, trạm năng lượng Mặt Trời hữu nghị giữa Việt nam và Pháp đã được thành lập tại TP Hồ Chí Minh. Trạm năng lượng Mặt Trời này thực hiện chương trình cung cấp điện cho các tỉnh như Gia Lai, Quảng Nam và Bình Phước (IEA, 2005). Ngoài ra, còn có một dự án trọng điểm SELCO, với sự hợp tác của Liên hiệp Hội phụ nữ Việt Nam với trên 600 hệ thống đang trong quá trình hoạt động (Hội đồng kinh tế Úc cho Năng lượng bền vững , 2005). [3]

Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng thời gian qua các sản phẩm sử dụng năng lượng Mặt Trời vẫn chưa được rộng rãi chỉ tập trung tại nông thôn, miền núi. Hiện nước ta có hơn 3000 hộ dân vùng sâu, vùng xa được điện khí hóa bằng hệ điện Mặt Trời gia đình, 8.500 hộ sử dụng điện Mặt Trời qua các trạm sạc ắc quy. Nhưng tại khu vực nội thành như thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội, các công trình sử dụng năng lượng Mặt Trời rất hạn chế, rào cản lớn nhất bắt nguồn từ việc chi phí đầu tư ban đầu còn cao nên người dân chưa quan tâm nhiều đến việc sử dụng năng lượng Mặt Trời.

1.3          Tổng quan về các máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời

Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời hay còn được gọi là bình nước nóng năng lượng Mặt Trời là một thiết bị cung cấp nước nóng sinh hoạt sử dụng nguồn năng lượng từ Mặt Trời. Tại các quốc gia phát triển, nguồn năng lượng Mặt Trời đã được khai thác và ứng dụng nhiều trong cuộc sống. Đây là nguồn cung cấp năng lượng không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường đồng thời không cần bảo trì hay thay thế. Không cần nâng cấp thường xuyên. Đặc biệt cũng không gây ra nguy hiểm đến tính mạng con người như bình gas hay điện thế.

1.3.1     Cấu tạo các loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời hiện nay

Hình 1.3 Nguyên lý chung máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời hiện nay.

Máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời hoạt động theo nguyên lý hấp thụ nhiệt và truyền nhiệt. Theo đó, máy sẽ được làm từ các vật liệu hấp thụ nhiệt, có nhiệm vụ hấp thụ năng lượng từ nhiệt độ chiếu sáng của Mặt Trời. Nguồn năng lượng này sẽ được truyền sang cho nước ở bên trong và làm nóng nước thông qua các chất truyền nhiệt hoặc dung môi truyền nhiệt.

1.3.2     Phân loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời

Dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bình nước nóng năng lượng Mặt Trời người ta có thể chia chúng thành 3 loại cơ bản. Bao gồm các loại máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không, dạng ống dầu và loại tấm phẳng.

•  Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không

Máy nước nóng có cấu tạo cơ bản là 1 bình chứa nước và các ống chân không. Các ống chân không này làm bằng thủy tinh hoặc hợp kim nhôm, bên trong là môi trường chân không. Các ống được đặt theo phương dốc xuống. Điều này giúp cho nước trong bồn chứa sẽ chảy xuống và lắp đầy các ống chân không này. Khi có ánh nắng Mặt Trời chiếu qua, các ống sẽ hấp thụ nhiệt từ Mặt Trời và làm nóng nước bên trong. Loại máy nước nóng ống chân không được sử dụng phổ biến nhờ có giá thành rẻ.

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng  ống chân không.

Hình 1.5 Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống chân không.

• Ưu điểm:

ü  Giá thành rẻ hơn so với các sản phẩm cùng loại.

ü  Sử dụng hoàn toàn năng lượng tự nhiên, góp phần bảo vệ môi trường.

ü  Không sử dụng điện nên an tâm không có tình trạng chập nổ hay cháy điện.

ü  Tuổi thọ cao, bảo hành lâu năm.

• Nhược điểm:

û  Dễ bám bụi bẩn, rong rêu theo thời gian, phải có chế độ vệ sinh thường xuyên.

û  Ngừng truyền nhiệt khi không có nắng.

û  Chỉ nhận nhiệt trược tiếp từ phần mặt trên của ống.

û  Không khuyếch đại, tập trung được ánh sáng.

û  Không tự chỉnh hương về Mặt Trời.

•  Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống dầu:

Có cấu tạo tương tự như máy nước nóng ống thường, tuy nhiên nó được bổ sung thêm dung môi hấp thụ nhiệt. Máy nước nóng ống dầu sẽ hấp thụ nhiệt được tốt hơn, làm nóng nước nhanh hơn và đồng thời duy trì được nước nóng lâu hơn so với ống thường. Ước tính loại máy nước nóng này có thể giữ nhiệt được tới 96 – 120 giờ kể cả khi không được cung cấp năng lượng nữa.

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống dầu.

• 
  Ưu điểm:

ü  Thời gian làm nước nóng nhanh hơn gấp 6 lần so với các sản phẩm máy nước nóng năng lượng Mặt Trời khác.

ü  Không bị bám cặn, bẩn, đóng rong rêu trong ống năng lượng do nước chảy trực tiếp vào bình bảo ôn.

ü  Khả năng làm nóng nước với nhiệt độ cao, lên tới hơn 90 độ.

ü  Khi Mặt Trời không có nắng thì ống năng lượng của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng ống dầu vẫn có thể làm nóng thêm từ 1,5 đến 2 giờ. Đây là điểm khác biệt mà các dòng ống năng lượng khác không làm được.

ü  Ống năng lượng dầu được cấu tạo nhiều lớp, an toàn cao.

• Nhược điểm:

û  Chi phí đầu tư cao

• Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời loại tấm phẳng:

Máy nước nóng tấm phẳng có cấu tạo khác với các loại máy có ống dẫn thông thường. Loại máy này hấp thụ nhiệt bằng một tấm phẳng được làm từ vật liệu hấp thụ nhiệt (thủy tinh, inox, nhôm,…) được phủ lớp kính cường lực bên trên. Nước từ bồn chứa sẽ được bơm vào hệ thống ống dẫn gắn trên tấm phẳng, sau khi nhận nhiệt nóng lên sẽ quay trở lại bồn chứa bảo ôn. Vòng bơm tuần hoàn này tiếp tục cho đến khi nước trong bồn bảo ôn đạt đến nhiệt độ nhất định. Máy hoạt động nhờ thiết bị điện điều khiển, nên những khi trời không có nắng vẫn có thể sử dụng nước nóng.

• Ưu điểm:

ü  Có thể đặt ở mọi vị trí (không nhất thiết phải có bồn cấp nước đặt cao hơn) nhờ có một hệ thống bơm nước cùng hệ thống điều khiển điện tử đi kèm.

ü  Có bộ điều khiển nhiệt tự động.

• Nhược điểm:

û  Không hoạt động khi mất điện do yêu cầu bắt buộc phải có điện để điều khiển hệ thống.

û  Máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời dạng tấm có khả năng tản nhiệt ra môi trường do đó hiệu suất kém hơn các loại còn lại.

û  Có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao. Hiện nay giá giao động từ 20 đến 80 triệu/máy.

Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng Mặt Trời dạng tấm phẳng.

1.4          Tính cần thiết của đề tài

Đun nước nóng dùng năng lượng Mặt Trời là một công nghệ khá phát triển và có giá trị thương mại đã được áp dụng trên cả quy mô hộ gia đình cũng như quy mô công nghiệp. Các hộ gia đình và doanh nghiệp sẵn lòng đầu tư vào bình đun nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời vì có thể tiết kiệm hoá đơn tiền điện. Bên cạnh đó, việc sử dụng năng lượng Mặt Trời cho đun nước cũng được khuyến khích cao trong quân đội. Vụ khoa học kỹ thuật thuộc Bộ Quốc phòng đang trao đổi nghiên cứu và xúc tiến việc sử dụng năng lượng Mặt Trời trong quân đội. Cho đến nay, có khoảng 10 hệ thống đun nước sử dụng năng lượng Mặt Trời được lắp đặt trong các trường và cơ sở quân đội, đặc biệt đối với các đơn vị trên các vùng hải đảo.

Tuy nhiên, việc ứng dụng đun nước sử dụng năng lượng Mặt Trời ở Việt nam vẫn còn thấp. Chỉ có 60 hệ thống tập thể và khoảng trên 5.000 hệ thống hộ gia đình đã được lắp đặt. Khoảng 90% hệ thống đun nước sử dụng năng lượng Mặt Trời là được sử dụng ở các đô thị và 5% ở vùng nông thôn. Xấp xỉ 99% các hệ thống này là do hộ gia đình đầu tư và 1% thuộc về các cơ sở công cộng như bệnh viện, nhà trẻ mẫu giáo, bệnh viện, trường học, khách sạn và nhà hàng. Các hệ thống bình đun với diện tích các tấm pin Mặt Trời từ 10 đến 60 m² có thể cung cấp hàng ngày từ 1 đến 5m³ nước nóng với nhiệt độ khoảng 50^oC đến 70^oC. Hệ thống bình nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời quy mô hộ gia đình với diện tích các tấm pin khoảng 1-2m² thì có thể cung cấp khoảng 100 đến 300 lít nước nóng ở nhiệt độ từ 40^oC đến 70^oC [4].

Mặt khác, các máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời hiện có trên thị trường chỉ ứng dụng vào việc tắm rửa, vệ sinh là chủ yếu. Nhiệt độ nước nóng thu được dao động từ 45^o  đến 80^o  và không ổn định, nên không thể đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh để sử dụng vào các mục đích khác như chế biến thực phẩm, sử dụng làm nước uống,… Vì vậy việc tìm hiểu, cải tiến và mở rộng ứng dụng của máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời là cần thiết.

CHƯƠNG 2: YÊU CẦU KỸ THUẬT

2.1          Đối tượng khách hàng và nhu cầu

• Đối với hộ gia đình:

-       Máy phải có khả năng làm nóng nước đến điểm nhiệt độ sôi. Dễ dàng vận chuyển, bảo quản trong kho khi không sử dụng.

-       Vận hành đơn giản, không chiếm nhiều không gian bố trí. Cho phép biết được nhiệt độ nước.

• Đối với đơn vị sản xuất và vận chuyển:

-       Sản phẩm tạo ra nếu có năng suất thấp hơn các sản phẩm khác phải đảm bảo giá thành thấp hơn.

-       Phương pháp gia công đơn giản. Khi chế tạo hạn chế phải thay thế dụng cụ hay gá đặt nhiều lần, dễ dàng sản xuất hàng loạt.

-       Kích thước máy giới hạn nằm trong khả năng vận chuyển hiện tại.

• Đối với cơ quan quản lý nhà nước:

-       Khi máy hoạt động, tác động tiêu cực đến môi trường (nếu có) phải nằm trong qui chuẩn cho phép.

-       Nước sau khi đun phải đạt các tiêu chuẩn quốc gia về an toàn thực phẩm trước khi buôn bán kinh doanh.

-       Đảm bảo an toàn lao động khi vận hành.

-       Khi máy được thiết kế và vận hành chủ yếu bằng nguồn năng lượng sạch, sẽ được sự ủng hộ từ phía cơ quan nhà nước.

2.2          Tiêu chí thiết kế

-       Đun sôi được nước, năng suất tối thiểu 200 l/ngày.

-       Kích thước máy không quá lớn.

-       Quá trình đun không làm hoà lẫn tạp chất có hại hoà vào nước.

-       Hệ thống đơn giản, kết cấu có khả năng làm việc ở môi trường nhiệt độ tương đối cao.

-       Thời gian đun không quá dài.

-       Phải có bình bảo ôn để giữ nhiệt cho nước sau khi đun.

-       Có hệ thống van và cơ cấu đảm bảo an toàn, chống cháy nổ.

-       Dễ vận hành, kiểm tra.

-       Giá thành tương đối thấp so với mặt bằng chung.

2.3          Các chỉ tiêu ràng buộc

-       Nước thành phẩm phải đạt nhiệt độ tối thiểu là 70^oC

-       Nước trước và sau khi qua xử lý phải đảm bảo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về Chất lượng nước sinh hoạt QCVN 02: 2009/BYT và Chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT của Bộ Y tế.

-       Quá trình đun tận dụng tối thiểu 80% nguồn năng lượng nhiệt Mặt Trời, còn lại là các năng lượng khác.

-       Máy vận hành tự động sau khi được căn chỉnh.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ PHẬN TẬP TRUNG NĂNG LƯỢNG

3.1          Chọn loại thiết bị hội tụ năng lượng

Nhược điểm của các loại máy nước nóng trên thị trường hiện nay là việc không thể tận dụng hết nguồn nhiệt bức xạ Mặt Trời xen kẽ giữa các bộ phận hấp thụ (đối với bộ phận hấp thụ dạng ống chân không) hoặc tổn thất nhiệt lượng do sự hấp thụ của các vật liệu trung gian (đối với bộ phận hấp thụ dạng tấm phẳng). Đây là vấn đề quan trọng cần được giải quyết trong luận văn này. Để khắc phục nhược điểm trên, trong phần này ta sẽ tiến hành khảo sát các phương án tập trung năng lượng bức xạ nhằm nâng cao nguồn nhiệt sau đó thiết kế một bộ phận tập trung năng lượng hoàn chỉnh. 

3.1.1     Phương án 1: Gương phản xạ tuyến tính hoặc thấu kính Fresnel

  Thấu kính Fresnel là một loại thấu kính hội tụ có bề mặt ghép lại từ các phần của mặt cầu, làm giảm độ dày của thấu kính và do đó giảm trọng lượng, và độ tiêu hao ánh sáng do sự hấp thụ của thủy tinh làm kính. Thấu kính này do Augustin-Jean Fresnel chế tạo, với ứng dụng ban đầu dành cho hải đăng. Sử dụng nguyên lý khúc xạ ánh sáng, các tia tới song song qua thấu kính sẽ hội tụ tại một điểm (với dạng các vân kính tròn đồng tâm) hoặc một đường (các vân kính song song). Khả năng tập trung năng lượng: tỉ số hội tụ CR =100-1000 [5].

• Ưu điểm:

ü  Một thấu kính Fresnel có thể đạt được khả năng tập trung ánh sáng ngang với một thấu kính lồi nhưng với vật liệu ít hơn và chi phí sản xuất thấp hơn.

ü  Vật liệu dễ tìm.

• Nhược điểm:

û  Việc bo tròn các cạnh trong quá trình chế tạo làm giảm hiệu suất hội tụ.

û  Hiện tượng rút ngắn tiêu cự khi góc tới bị lệch.

  Hệ thống gương phản xạ Fresnel sử dụng các gương phẳng (hoặc hơi cong) để phản xạ ánh sáng và điều chỉnh tia sáng tập trung tại một đường xác định. . Khả năng tập trung năng lượng: tỉ số hội tụ CR =1000-3000 [5].

• Ưu điểm:

ü  Dễ dàng lắp đặt.

ü  Dễ dàng trong việc tính toán thiết kế.

• Nhược điểm:

û  Hiệu suất không cao bằng dạng máng parabol ở cùng một kích thước.

û  Vật liệu dễ vỡ.

û  Khó khăn trong chế tạo.

Hình 3.1 Thấu kính Fresnel và gương phản xạ tuyến tính Fresnel [5]

3.1.2     Phương án 2: Hệ thống tháp tập trung năng lượng

Công nghệ này sử dụng một loạt các gương (heliostats), với mỗi gương theo dõi hướng Mặt Trời và phản xạ ánh sáng lên một trạm nhận nhiệt trên đỉnh tháp. Các trạm có thể dễ dàng tạo ra nhiệt độ tối đa làm nóng chảy muối và truyền nhiệt để tạo hơi nước vận hành các turbine khí tạo ra điện năng với công suất tối đa 1000kW [6].

• Ưu điểm:

ü  Các gương được điều khiển độc lập sao cho luôn hướng chùm tia phản xạ tại một điểm, tận dụng tối đa lượng quang năng từ Mặt Trời.

ü  Khả năng tập trung năng lượng lớn. Nhiệt độ có thể đạt được hơn 1000° C. 

• Nhược điểm:

û  Các gương cần được bố trí ở vị trí phù hợp và phải được điều khiển bằng 2 trục để có thể điều hướng tia phản xạ. Tốn kém trong việc điều khiển.

û  Việc chế tạo các gương khá phức tạp để có thể đạt được tiêu cự mong muốn.

û  Chỉ phù hợp ứng dụng trong các ngành công nghiệp nặng vì cần lượng lớn thiết bị và diện tích lắp đặt để đạt hiểu quả tối đa.

Hình 3.2 Hệ thống tháp tập trung năng lượng. [6]

3.1.3     Phương án 3: Thiết bị tập trung năng lượng dạng máng Parabol

Hình 3.3 Hiện tượng lệch giao điểm khi tia sáng Mặt Trời chiếu thẳng góc (a) và khi tia sáng mặt  trời chiếu lệch một góc với pháp tuyến mặt gương (b). [9]

  Máng Parabol là thiết bị tập trung năng lượng phổ biến và được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Thiết bị này là một tấm gương có biên dạng cắt ngang là một đường parabol, tia sáng song song chiếu đến gương theo phương pháp tuyến sẽ cho tia phản xạ hội tụ tại tiêu điểm của đường parabol. Tập hợp các điểm hội tụ tạo thành một đường thằng dọc theo chiều dài của gương. Khi tia tới không thẳng góc với mặt gương, tia phản xạ không còn hội tụ tại một điểm mà phân tán như hình.

 Ưu điểm:

ü  Hiệu suất cao hơn gương Fresnel.

ü  Điểm hội tụ tương đối ổn định nếu chùm tia tới lệch so với phương pháp tuyến.

ü  Chỉ cần điều hướng một trục để tia tới luôn trùng với phương pháp tuyến của mặt gương.

ü  Dễ dàng mở rộng qui mô bằng cách lắp đặt các máng song song

• Nhược điểm:

û  Khả năng tập trung năng lượng không cao bằng các dạng gương hội tụ theo điểm.

3.1.4     Phương án 4: Thiết bị tập trung năng lượng dạng máng trụ tròn

Một loại khác của kiểu hấp thụ năng lượng dạng máng đó là sử dụng các máng có biên dạng cắt ngang hình tròn thay vì biên dạng parabol. Đới với loại này, các tia sáng phản xạ không tập trung tại một tiêu điểm (xét với mặt cắt nang) như đối với loại Parabol mà sẽ tập trung thành một đường thẳng nối thẳng góc từ tiêu điểm của mặt trụ tròn đến mặt trụ tròn. Do đó một máng hấp thụ dạng mặt trụ tròn sẽ cho hệ số hấp thụ CR nhỏ hơn dạng parabol. Một điểm đặc biệt của loại này là khi tia sáng tới bị lệch khỏi phương pháp tuyến, đường hội tụ luôn có phương trùng với phương của tia tới do tính chất đẳng hướng của mặt trụ tròn.

• Ưu điểm:

ü  Có thể cố định gương và điều khiển bộ phận hấp thụ năng lượng quay theo hướng tia tới Mặt Trời.

ü  Biên dạng mặt mặt trụ tròn dễ xác định.

ü  Dễ dàng mở rộng qui mô bằng cách lắp đặt các máng song song.

• Nhược điểm:

û  Khả năng tập trung năng lượng không cao bằng các dạng gương hội tụ parabol.

û  Khi tia sáng tới bị lệch, một phần diện tích của gương bị che bởi chính nó làm giảm hiệu suất của gương.

Hình 3.4 a) Tia tới lệch góc 60o; b) Tia tới lệch góc 30; c) Tia tới thẳng góc [5].

3.1.5     Phương án 5: Thiết bị tập trung năng lượng dạng chảo Paraboloid

Một mặt paraboloid là một mặt tròn xoay có đường sinh là một đường parabol. Các tia sáng song song sau khi chiếu vuông góc tới mặt trong paraboloid sẽ cho hội tụ tại một điểm, vì thế khả năng hội tụ năng lượng của thiết bị này là rất lớn.

Hình 3.5 Thiết bị tập trung năng lượng dạng chảo Paraboloid.

 Ưu điểm:

ü  Hiệu suất cao, khả năng tập trung năng lượng cao, tổn thất nhỏ.

ü  Nhiệt độ tại điểm hội tụ rất lớn, có thể lên tới 900^oC.

• Nhược điểm:

û  Chi phí lắp đặt cao.

û  Việc điều hướng gặp khó khăn khi điểm hội tụ không cố định.

3.1.6     Kết luận phương án

Dựa vào những đặc điểm, ưu và nhược điểm của các thiết bị kết hợp với yêu cầu kỹ thuật được đặt ra cho sản phẩm, phương án 3: thiết bị tập trung năng lượng dạng máng parabol là phương án được chọn vì:

-      Máng Parabol hội tụ năng lượng theo một đường thẳng, thiết bị đun nước sôi có thể lắp đặt đường ống trùng với đường hội tụ của máng để hấp thụ năng lượng triệt để.

-      Máng Parabol cho hiệu suất cao nhất trong các thiết bị hội tụ ánh sáng theo dạng đường thẳng.

-      Máng Parabol thuận tiện trong việc lắp đặt và điều khiển để đảm bảo tiêu điểm luôn cố định và lòng máng luôn hướng vuông góc với tia nắng Mặt Trời.

3.2          Lựa chọn vật liệu chế tạo gương parabol hội tụ và ống hấp thụ nhiệt

Việc tập trung ánh sáng đòi hỏi bề mặt gương phải có tính phản xạ cao đối với các bước sóng ánh sáng trong quang phổ ánh sáng Mặt Trời. Các bề mặt phản xạ thường là kim loại có độ bóng cao hoặc lớp phủ kim loại trên bề mặt phù hợp. Với bề mặt mờ đục, lớp phủ phản xạ phải luôn luôn được phủ ở mặt trước, ví dụ, mạ crom trên đồng hoặc nhôm đánh bóng. Tuy nhiên, nếu sử dụng chất nền trong suốt, lớp phủ có thể ở mặt trước hoặc mặt sau. Cần lưu ý trong bất kỳ quá trình phản xạ với lớp mạ ở mặt sau, lớp nền phải làm bằng vật liệu trong suốt có hệ số truyền qua cao để lớp mạ thực hiện được chức năng phản xạ ánh sáng, vì thế bức xạ phải truyền qua bề mặt chất nền hai lần, điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng hội tụ ánh sáng của gương.

Bảng sau đây cho thấy hệ số phản xạ ánh sáng của một số vật liệu đối với chùm tia sáng Mặt Trời.

Bảng 3.1 Hệ số phản xạ đối với ánh sáng trắng của một số vật liệu [5].

Nhìn chung, vật liệu được chọn làm gương hội tụ phải đảm bảo các yêu cầu:

1. Hệ số phản xạ cao, r > 80%.

2. Độ bền cao, khà năng chịu nhiệt tốt dưới thời tiết khắc nghiệt.

3. Vật liệu phải dễ tìm, dễ chế tạo.

4. Vật liệu phải đảm bảo tính kinh tế, giá thành hợp lý.

Để đảm bảo 3 yêu cầu trên, ta chọn loại vật liệu nhôm tấm phản quang được anode hoá bề mặt. Loại vật liệu này có hệ số phản xạ ánh sáng khá cao r =80-85%. Vì được anode hoá bề mặt nên có khả năng chịu oxi hoá tốt. Vật liệu nhôm tấm phản quang đã được thương mại hoá từ lâu nên dễ dàng tìm mua trên thị trường Việt Nam. Ta chọn nhôm tấm 3003 có cơ tính như sau (tra theo tiêu chuẩn ASTM B209-14):

Mác nhôm	Độ dày, mm	Trạng thái gia công và hoá bền	Độ bền kéo,	Độ bền chảy dẻo,	Khối lượng riêng, kg/m3
3003	1	H14 hoặc H24	140-180	115	2700

Đối với ống hấp thụ nhiệt, ta chọn loại ống inox 304 mạ crom đen có các thông số như sau:

• Kích thước dài .
• Hệ số truyền qua lớp phủ vật liệu .
• Đường kính ống thép hấp thụ 50mm, hệ số hấp thụ .
• Nhiệt độ tối đa 300^oC.

 3.3          Tính toán biên dạng và kích thước cơ bản của gương

Đối với gương có biên dạng parabol, không thể nào điều khiển khẩu độ của gương luôn hướng chính xác tuyệt đối đến hướng Mặt Trời mà không tồn tại một sai số góc lệch  của tia tới Mặt Trời. Khi tia tới bị lệch một góc , chùm tia sẽ không hội tụ tại một điểm mà phân tán thành một vùng có bán kính  (hình 1.8).  Luôn tồn tại một tiêu cự  sao cho khi sai số góc tới lớn nhất, chùm tia hội tụ luôn nằm trong phạm vi bán kính  đã định. Theo [7] ta có:

Chọn bán kính vùng sai lệch ,  .

Giải phương trình [3.3.1] ta được giá trị , chọn  

Hình 3.6  Vùng hội tụ ánh sáng của gương parabol khi tia tới bị lệch so với phương thẳng đứng do sai số chế tạo và lắp đặt.

Ta đặt một hệ trục toạ độ Oxy tại đỉnh Parabol với độ lớn vector đơn vị là 1mm.

  => Phương trình biên dạng của gương:

Theo (CT 6.35a, [5]), hệ số hội tụ hình học của gương parabol với vật hấp thụ dạng ống:

Trong đó:  – góc vành gương.

        một nửa góc khẩu độ của nguồn sáng là Mặt Trời tới Trái Đất.

Vậy để hệ số hội tụ hình học là lớn nhất, ta chọn góc vành gương . Khi đó ta được

Từ đây ta có được được các thông số kích thước của gương:

  -  Chiều dài từ tiêu điểm đến vành gương:

   - Bề rộng gương:

  - Chiều dài đường cong parabol:  

Hình 3.7 Biên dạng của gương parabol

  - Chọn sơ bộ chiều dài gương bằng với chiều dài ống hấp thụ . 

 

Kích thước	Ký hiệu	Giá trị
Tiêu cự
Bề rộng
Góc vành gương
Chiều dài từ tiêu điểm đến vành gương
Chiều dài gương
Chiều dài đường parabol

 3.4          Tính toán kết cấu và tải trọng làm quay gương

3.4.1     Kết cấu khung gương

Khung gương là cụm chi tiết có biên dạng hình Parabol để định hình cho tấm nhôm phản quang. Khi thiết kế cụm khung gương ta cần quan tâm đến các chỉ tiêu thiết kế sau:

• Khung phải có biên dạng yêu cầu, có không gian và vị trí để gá đặt cố định tấm nhôm.
• Khung phải đủ bền và cứng vững.
• Dễ dàng gia công và tháo lắp.
• Khối lượng nhẹ nhất có thể mà vẫn đảm bảo những chỉ tiêu khác.

Hình 3.8 Mặt bên khung gương được mô phỏng bằng Solidworks 2016.

Ta chia cụm chi tiết khung gương thành 3 chi tiết chính để dễ dàng tháo lắp và tiện lợi trong vận chuyển, chế tạo, bao gồm: mặt bên khung, khung giữa và thanh nối. Các chi tiết được lắp ráp với nhau bằng mối ghép bu-lông. Sử dụng phần mềm Solidworks 2016 của hãng Dassault Systèmes ta mô phỏng và dựng được hình dạng của các chi tiết như hình dưới.

 

Hình 3.9 Khung giữa được mô phỏng bằng Solidworks 2016

Hình 3.10 Thanh nối được mô phỏng bằng Solidworks 2016.

 

vVật liệu làm khung gương ta chọn hợp kim nhôm 5052-H32 dạng tấm được cắt hoặc uốn theo biên dạng rồi hàn lại vơi nhau.

Mác nhôm	Độ dày, mm	Trạng thái gia công và hoá bền	Độ bền kéo,	Độ bền chảy dẻo,	Khối lượng riêng, kg/m3
5052	1	H32	215-265	160	2068

 

Các hình ảnh trên chỉ mang tính chất minh hoạ cho chi tiết mà chưa xác định kích thước chính xác. Kích thước chính xác của thanh nối phụ thuộc vào số khung giữa. Tác dụng của khung giữa là chống uốn cho ống thép hấp thu nhiệt. Để xác định khoảng cách tối ưu giữa hai gối đỡ ta phải tính chuyển vị của ống.

Ta xem ống như một thanh đơn chịu lực phân bố đều nằm trên hai gối tựa (Hình 3.12). Gọi  là khoảng cách giữa 2 gối tựa, chiều dài ống , khối lượng riêng của thép , gia tốc trọng trưởng  , đường kính ngoài ống thép theo tiêu chuẩn , đường kính trong ống thép theo tiêu chuần
, suất đàn hồi của thép 304: . Ta tính được các hệ số:
          Lực phân bố trên một đơn vị chiều dài:

Moment quán tính theo trục Ox của tiết diện mặt cắt ngang ống có dạng vành khăn:

Tính các phản lực: Bỏ các liên kết tại C, B thay bằng các phản lực.

Do đối xứng, nên:

Xác định nội lực: xét mặt cắt ngang 1-1 qua K có hoành độ là z (0z L).

Mặt cắt 1-1 chia thanh làm hai phần. Xét cân bằng phần bên trái CK.

Từ các phương trình cân bằng, ta suy ra:

 

Hình 3.11 Biểu đồ nội lực và momen thanh đơn chịu lực phân bố đều trên 2 gối tựa.

Tính chuyển vị:

Phương trình moment uốn tại mặt cắt ngang có hoành độ z là:

Phương trình vi phân của phương của đường đàn hồi có dạng:

trong đó: tích số EI_x là độ cứng của ống khi uốn.

Từ (1) & (2), ta có:

Tích phân 2 lần, ta được:

 

Thay các điều kiện biên ở các gối tựa trái và phải

Ta tính được các hằng số tích phân như sau:

Như vậy phương trình đường đàn hồi và góc xoay là:

Độ võng lớn nhất tại mặt cắt ngang giữa nhịp ứng với :

Thay  vào (3), ta được:

Khi độ võng nhỏ hơn  lần chiều dài ta có thể coi như thanh thẳng. Ta thiết lập điều kiện như sau:

Để tiết kiệm vật liệu, ta chọn . Như vậy ta chia chiều dài ra làm 4 đoạn và cần sử dụng 3 khung giữa, và kích thước dài danh nghĩa của các thanh nối là 0,98 m.

Sử dụng môi trường Assembly của Solidworks đề mô phỏng, ta dựng được kết cấu 3D của khung gương như hình 3.13.

Hình 3.13 Cụm khung gương đã lợp tấm nhôm phản quang.

Hình 3.12 Cụm khung gương mô phỏng bằng Solidworks 2016.

3.4.2     Tính toán đối trọng cho gương

Hình 3.14 Hệ trục toạ độ Oxyz của khung gương.

Khối tâm của cụm khung gương không trùng với tâm quay, điều này sẽ làm tăng lực quán tính khi gương chuyển động, làm tăng áp lực khớp động và giảm hiệu suất máy, vì thế ta cần phải lắp đặt đối trọng cho gương để có thể đưa khối tâm về gần trục quay nhằm cân bằng lực quán tính và moment lực quán tính của gương. Ta xem gương là vật quay có bề dày lớn. Nguyên tắc cân bằng trong trường hợp này là phân phối lại khối lượng trên hai mặt phẳng tuỳ ý chọn vuông góc với tâm quay [8]. Ta chọn hai mặt phẳng ở hai đầu gương gọi là mặt phẳng I và mặt phẳng II.

Đặt một hệ trục toạ độ trên mặt phẳng (I), gốc là giao điểm của trục quay và mặt phẳng (I) (hình 3.15). Sau khi mô phỏng cụm khung gương bằng Solidworks,  sử dụng lệnh Mass Properties trong thẻ Evalute, ta tìm được khối lượng và vị trí khối tâm của khung gương như sau;

• Toạ độ khối tâm của cụm khung gương:

 (đơn vị mm)

• Khối lượng của cụm khung gương: .

Gọi  là tổng lực quán tính ly tâm tác dụng lên khung gương, thu gọn tại khối tâm của khung gương,  nằm trên mặt phẳng (P) vuông góc với trục quay. Phân lực  thành hai thành phần ,   trong hai mặt phẳng (I) và (II) theo điều kiện:

 

Trong đó   lần lượt là khoảng cách từ mặt phẳng (I)  đến mặt phẳng (P) và mặt phẳng (II) đến mặt phẳng (P). Vì ta chọn  nên có thể xem:

Trong mặt phẳng (I), để cân bằng  ta  đặt thêm khối lượng  ở vị trí  mà khi quay sinh ra trong mặt phẳng (I) lực quán tính  sao cho:

Chiếu lên hệ trục toạ độ Oxyz ta được:

Chọn

Tương tự mới mặt phẳng (II), ta tính được  khi .

 Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế và lắp thêm đối trọng cho cụm khung gương, sau đó dùng Mass Properties để kiểm tra, ta được những kết quả như sau:

• Toạ độ khối tâm của cụm khung gương:

 (đơn vị mm)

• Khối lượng của cụm khung gương: .
• Moment quán tính ứng với trục quay:

3.4.3    

Hình 3.15 Kết quả tính toán bằng Mass Properties của Solidworks trước và sau khi lắp đối trọng.

Tải trọng làm quay gương

• Moment lực quán tính:

Vận tốc quay của gương phải đồng bộ với vận tốc quay của Mặt Trời quanh Trái -Đất, như vậy:

Hay số vòng quay:

Ta chọn thời gian động cơ khi khởi động đến đạt vận tốc yêu cầu .

Suy ra gia tốc góc:

Moment cần thiết để quay gương trong điều kiện lắp đối trọng:

 

• Ảnh hưởng của gió:

Vì gió ở TP.HCM thổi theo hai hướng Tây Tây Nam vào mùa mưa và Đông Đông Bắc vào mùa khô, hai hương này gần trùng với pháp tuyến mặt gương nên ta xem hướng gió là vuông góc với mặt gương .Tải trọng tác dụng của lực gió lên mặt dưới tấm parabol ở vị trí góc xoay bằng  so với phương thẳng đứng (ứng với thời điểm 8 giờ và 16 giờ) là:

Trong đó: A- diện tích hứng gió (xem mặt gương là tấm phẳng).

             là áp suất gió theo TCVN 2737 – 1995.

 ứng với cấp gió Beaufort B=4, gió vừa phải. 

Moment xoắn của lực gió tại trục quay gương:

Tổng moment tác dụng lên trục quay:

Công suất cần thiết làm quay gương:

3.5          Khả năng hội tụ của gương

Ta giới hạn phạm vi bài toán trong khu vực địa lý là TP.HCM để tính toán.

Thông số đầu vào:

Toạ độ của TPHCM: 10°46′10″B 106°40′55″Đ. 

Máy chỉ vận hành vào những tháng mùa khô: từ tháng 12 năm trước đến tháng 5 năm sau.

Hệ số hội tụ CR=73.

Khoảng thời gian máy vận hành trong ngày từ 8h đến 16h.

Với kích thước gương đã có ở mục trên, ta tiến hành tính toán năng lượng nhận được để đun sôi nước và năng suất đun nước. 

_3.5.1                  

Hình 3.16 Các thông số xác định vị trí Mặt Trời [9].

Giá trị nhiệt lượng bức xạ Mặt Trời đến bề mặt Trái Đất

Trong đó:
                     (⁰): góc thiên độ, là góc lệch của Mặt Trời, được tính bằng góc giữa tia trực xạ và mặt phẳng xích đạo. δ được xác định từ ngày thứ N trong năm thông qua công thức:

(công thức 1.9a trang 15 tài liệu [9])

             (⁰): góc giờ của Mặt Trời, là góc tạo bởi tia trực xạ và đường nối điểm khảo sát với vị trí cao nhất (thiên đỉnh) của Mặt Trời trong ngày. Tại vị trí thiên đỉnh, giá trị góc giờ bằng 0, mỗi giờ lệch ứng với 15⁰, trước vị trí thiên đỉnh  mang dấu âm, sau vị trí thiên đỉnh  mang dấu dương.             (⁰): vĩ độ của địa điểm khảo sát. Vị trí khảo sát chọn trong khu vực Nam Bộ. Phần tính toán dưới đây chọn vị trí khảo sát là Thành phố Hồ Chí Minh, giá trị vĩ độ là 10°46′10″B.

  Góc thiên đỉnh ,  là góc hợp bởi tia trực xạ và mặt phẳng nằm ngang tại vị trí khảo sát. Được xác định theo công thức: 

                                 (công thức 1.11 trang 18 tài liệu [9])

Góc cao độ  được tính theo góc thiên đỉnh bằng công thức .

Để tính toán nhiệt lượng bức xạ từ Mặt Trời ta có thể khảo sát ở các thời điểm, cụ thể là một ngày của mỗi tháng tính từ ngày đầu tiên của năm, giãn cách thời gian giữa các tháng trung bình tương đối giống nhau.

Hình 3.17 Các góc của Mặt Trời. [8]

Giá trị Nhiệt bức xạ đến bên ngoài bầu khí quyển :

(công thức 1.6 trang 11 tài liệu [9])

                    Với  là hằng số Mặt Trời.

Ta có được giá trị I­_ext và góc thiên độ δ như Bảng 3.2.

Bảng 3.2 Giá trị nhiệt bức xạ Mặt Trời ứng với góc thiên độ.

Mốc ngày	17/1	16/2	16/3	15/4	15/5	11/6
Ngày thứ N	17	47	75	105	135	162
I ext	1,4205	1,4083	1,3895	1,3663	1,3459	1,3343
Góc thiên độ δ(0)	-20,917	-12,9546	-2,41773	9,414893	18,79192	23,08591
Mốc ngày	17/7	16/8	15/9	15/10	14/11	10/12
Ngày thứ N	198	228	258	288	318	344
I ext	1,3331	1,3448	1,3648	1,3880	1,4083	1,4195
Góc thiên độ δ(0)	21,18369	13,45496	2,216887	-9,5994	-18,912	-23,0496

Ta tính được giá trị góc thiên đỉnh  và cho kết quả như sau:

Bảng 3.3 Giá trị góc thiên đỉnh  ứng với ngày của các tháng mùa khô.

Thời điểm	8		9	10	11	12	13	14	15	16
(o)		-60	-45	-30	-15	0	15	30	45	60
17/1		0,3957	0,5860	0,7321	0,8239	0,8552	0,8239	0,7321	0,5860	0,3957
16/2		0,4393	0,6379	0,7903	0,8861	0,9188	0,8861	0,7903	0,6379	0,4393
16/3		0,4840	0,6875	0,8438	0,9420	0,9755	0,9420	0,8438	0,6875	0,4840
15/4		0,5146	0,7156	0,8698	0,9668	0,9999	0,9668	0,8698	0,7156	0,5146
15/5		0,5233	0,7162	0,8642	0,9573	0,9890	0,9573	0,8642	0,7162	0,5233
10/12		0,3827	0,5702	0,7140	0,8045	0,8353	0,8045	0,7140	0,5702	0,3827
Trung bình		0,727

 

Thời điểm	8		9	10	11	12	13	14	15	16
(o)		-60	-45	-30	-15	0	15	30	45	60
11/6		0,5227	0,7101	0,8539	0,9444	0,9752	0,9444	0,8539	0,7101	0,5227
17/7		0,5233	0,7133	0,8591	0,9508	0,9820	0,9508	0,8591	0,7133	0,5233
16/8		0,5200	0,7182	0,8703	0,9659	0,9985	0,9659	0,8703	0,7182	0,5200
15/9		0,4985	0,7021	0,8583	0,9566	0,9901	0,9566	0,8583	0,7021	0,4985
15/10		0,4552	0,6562	0,8103	0,9072	0,9403	0,9072	0,8103	0,6562	0,4552
14/11		0,4074	0,6002	0,7481	0,8411	0,8728	0,8411	0,7481	0,6002	0,4074
Trung bình		0,7582

Bảng 3.4 Giá trị góc thiên đỉnh  ứng với ngày của các tháng mùa mưa.

Giá trị nhiệt bức xạ đến bề mặt trái đất:

(công thức 1.14 trang 21 tài liệu [9])

Trong đó TR là hệ số ảnh hưởng thay đổi theo tháng và theo khu vực khảo sát cho trong Bảng 3.5.

Bảng 3.5 Khu vực khảo sát chọn thành phố Hồ Chí Minh, nên giá trị T_R­­ được lấy theo khu vực thành phố [9].

Tháng	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Vùng cao	1,8	1,9	2,1	2,2	2,4	2,7	2,7	2,7	2,5	2,1	1,9	1,8
Đồng bằng	2,2	2,2	2,5	2,9	3,2	3,4	3,5	3,3	2,9	2,6	2,3	2,2
Thành thị	3,1	3,2	3,5	3,9	4,1	4,2	4,3	4,2	3,9	3,6	3,3	3,1

Giá trị bức xạ nhiệt đến bề mặt trái đất được xác định và ghi lại trong Bảng 3.6 và Bảng 3.7.

Bảng 3.6 Giá trị bức xạ nhiệt đến bề mặt Trái Đất vào các tháng mùa khô.

Thời điểm	8	9	10	11	12	13	14	15	16
(o)	-60	-45	-30	-15	0	15	30	45	60
17/1	0,72611	0,8757	0,9537	0,9924	1,0042	0,9924	0,9537	0,8757	0,7261
16/2	0,74537	0,8855	0,959	0,9957	1,0069	0,9957	0,959	0,8855	0,7454
16/3	0,73103	0,8638	0,9349	0,9706	0,9815	0,9706	0,9349	0,8638	0,731
15/4	0,69235	0,8193	0,8891	0,9246	0,9356	0,9246	0,8891	0,8193	0,6924
15/5	0,6653	0,7865	0,8544	0,8895	0,9003	0,8895	0,8544	0,7865	0,6653
10/12	0,71249	0,8651	0,9446	0,9841	0,9961	0,9841	0,9446	0,8651	0,7125
Trung bình	0,8731

Bảng 3.7 Giá trị bức xạ nhiệt đến bề mặt Trái Đất vào các tháng mùa mưa

Thời điểm	8	9	10	11	12	13	14	15	16
(o)	-60	-45	-30	-15	0	15	30	45	60
11/6	0,6479	0,7664	0,8335	0,8684	0,8792	0,8684	0,8335	0,7664	0,6479
17/7	0,6367	0,7574	0,8257	0,8611	0,872	0,8611	0,8257	0,7574	0,6367
16/8	0,6509	0,7767	0,8468	0,8828	0,894	0,8828	0,8468	0,7767	0,6509
15/9	0,679	0,8114	0,8835	0,9201	0,9314	0,9201	0,8835	0,8114	0,679
15/10	0,6926	0,8341	0,9095	0,9474	0,9591	0,9474	0,9095	0,8341	0,6926
14/11	0,7009	0,8504	0,929	0,9682	0,9801	0,9682	0,929	0,8504	0,7009
Trung bình	0,8236

 

Giá trị trung bình I_in  tại tất cả thời điểm được khảo sát vào mùa khô là:

Giá trị trung bình I_in  tại tất cả thời điểm được khảo sát vào mùa mưa là:

3.5.2     Năng lượng hấp thụ lý thuyết

• Mùa khô:

Diện tích hứng nắng của gương:

Năng suất bức xạ từ Mặt Trời đến gương:

Lượng năng lượng bức xạ trung bình trong thời gian 8h hoạt động của máy:

 Mùa mưa:

Diện tích hứng nắng của gương:

Năng suất bức xạ từ Mặt Trời đến gương:

Lượng năng lượng bức xạ trung bình trong thời gian 3h hoạt động của máy:

 

3.5.3     Hiệu suất

• Mùa khô:
• Hiệu suất quang học cực đại:

  Trong đó:

o      Hệ số phản xạ của vật liệu, với nhôm tấm anốt hoá .

o     Hệ số nhiệt truyền qua lớp phủ của ống hấp thụ, .

o      Hệ số hấp thụ ống thép hấp thụ,  

o      Hệ số tổn thất quang học, . Trong đó ta chọn: hệ số ảnh hường từ sai lệch biên dạng parabol ; hệ số ảnh hưởng bởi phần bóng đổ của ống hấp thụ ; hệ số ảnh hưởng bởi biến dạng cơ học phần khung đỡ . Nên 

 ......

• Hệ số xét đến ảnh hưởng của trùng khớp ngang:
• Hệ số xét đến ảnh hưởng của góc nghiêng răng đến độ bền uốn:
• Hệ số tải trọng động:
• Ta chọn hệ số tập trung tải trọng  với các bánh răng bố trí console (bảng 6.4, tài liệu [11]) .
• Hệ số dạng răng:

Ứng suất uốn:

Kết luận:  nên thỏa điều kiện bền uốn.

KẾT LUẬN

Thông qua việc khảo sát các phương án thiết kế máy nước nóng năng lượng Mặt Trời sẵn có trên thị trường cùng với việc phân tích, tổng hợp, áp dụng kiến thức, thành tựu khoa học của nhiều học giả về lĩnh vực cơ khí và nhiệt học, luận văn đã hoàn thành mục tiêu đặt ra ban đầu là tạo ra một bản thiết kế khác của máy đun nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời. So với các bản thiết kế trước, luận văn này đã giải quyết được vấn đề tổn thất nhiệt do không hấp thụ được hết các bức xạ trong cùng một diện tích. Hệ thống giảm tốc bánh răng hành tinh giúp định vị thiết bị hội tụ đồng bộ với hướng của tia tới Mặt Trời, từ đó nâng cao hiệu suất đun sôi nước lên 350 l/ngày ở nhiệt độ 100^oC trong cùng một diện tích hứng nắng, đó là điều mà những bản thiết kế trước không thể đạt được.

Trong quá trình thiết kế máy, đảm bảo tiêu chí kỹ thuật là nhiệm vụ luôn phải được đặt lên hằng đầu nhưng cũng không thể không quan tâm tính kinh tế của sản phẩm. Các chi tiết và bộ phận được sử dụng trong bản thiết kế này phần lớn được chọn hoặc gia công lại từ các chi tiết đã được tiêu chuẩn hóa như bánh đai, ổ lăn, thanh nối khung máy, bộ ly hợp, … Điều này giúp giảm giá thành sản phẩm khi đưa vào sản xuất thực tế, dễ dàng thay thế sửa chữa trong khâu bảo trì, bảo dưỡng từ đó có thể cạnh tranh được với các sản phẩm đã được thương mại hóa trên thị trường.

Tuy nhiên, vì bị giới hạn bởi nguồn tài chính hạn hẹp và thời gian gấp rút nên đề tài chưa được thử nghiệm bằng mô hình thực tế để đánh giá hoạt động, năng suất của máy và chất lượng nước nóng đun sôi có đảm bảo đầy đủ những yêu cầu đặt ra hay không. Bên cạnh đó, vì góc tia tới của Mặt Trời thay đổi theo từng mùa trong năm, cũng như ảnh hưởng của các yếu tố gây nhiễu như độ che phủ của mây cho thấy việc sử dụng nguyên lý điều khiển vòng hở trong luận văn này chưa thực sự tối ưu. Để khắc phục điều đó, ý tưởng sử dụng những thiết bị cảm biến hồi tiếp tín hiệu bức xạ Mặt Trời nhằm điểu khiển bộ phận hấp thụ đến vị trí phù hợp là một hướng phát triển sản phẩm đầy triển vọng trong tương lai.