Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ TÓM TẮT Tên đề tài : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠO NƯỚC NGỌT CHO TÀU CÁ XA BỜ Sinh viên thực hiện : Số thẻ sinh viên : Nội dung : - Chương 1: Tổng quan về lượng mặt trời - Chương 2: Yêu cầu, nhiệm vụ thiết kế và sở lý thuyết của thiết bị chưng cất nước bằng lượng mặt trời - Chương 3: Tính toán thiết kế bộ thu thiết bị chưng cất nước ngọt - Chương 4: Tính chọn thiết bị, lắp đặt và kết luận i Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT - ĐIÊN LẠNH CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: NGUYỄN THANH TÂM Số thẻ sinh viên: 104120072 Lớp:12N1 Khoa:Công nghệ Nhiệt- Điện lạnh Ngành: Kỹ thuật Nhiệt Tên đề tài đồ án: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠO NƯỚC NGỌT CHO TÀU CÁ XA BỜ Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Theo số liệu khí hậu thực tế ở vùng biển Đà Nẵng Nội dung phần thuyết minh tính toán: - Chương 1: Tổng quan về lượng mặt trời - Chương 2: Yêu cầu, nhiệm vụ thiết kế và sở lý thuyết của thiết bị chưng cất nước bằng lượng mặt trời - Chương 3: Tính toán thiết kế bộ thu thiết bị chưng cất nước ngọt - Chương 4: Tính chọn thiết bị, lắp đặt và kết luận Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): - Bản vẽ 1: Tổng quan về bộ thu ( A3) - Bản vẽ 2: Bố trí hệ thống tàu ( A3) - Bản vẽ 3: Kết cấu module bộ thu (A3) - Bản vẽ 4: Các hình chiếu bồn sản xuất nước ngọt (A3) Họ tên người hướng dẫn: TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 10/2/2017 Ngày hoàn thành đồ án: 26/5/2017 Đà Nẵng, ngày 26 tháng năm 2017 Trưởng Bộ môn …………………… Người hướng dẫn ii Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ LỜI NÓI ĐẦU Trong bối cảnh khủng hoảng lượng hiện nay, giá thành nguồn lượng ảnh hưởng trực tiếp đến kinh tế, đời sống của xã hội Việc thiếu hụt lượng cho tương lai rất lớn, vậy buộc phải tìm nguồn lượng mới để thay thế bổ sung cho nguồn lượng truyền thống Mặt khác trình sản xuất lượng điện năng, nhiệt năng… gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường cuộc sống sinh hoạt của người Năng lượng mặt trời một nguồn lượng nhất, tiềm nhất để giải quyết vấn đề Ưu điểm không tốn chi phí sản xuất nhất nguồn lượng không gây ảnh hưởng đến môi trường Việc ứng dụng lượng mặt trời nghiên cứu ứng dụng rộng rãi cho đời sống sản xuất… Việt Nam có một vị trí địa lý rất thuận lợi cho việc phát triển nguồn lượng mặt trời nằm khu vực có cường độ xạ mặt trời, số nắng rất cao có thể phát triển tốt nguồn lượng Ở Việt Nam hiện lượng mặt trời sử dụng cho việc chạy pin lượng mặt trời, sinh hoạt, cấp nước nóng… Mục tiêu của đề tài là nhắm vào tàu đánh bắt cá, thủy sản Mỗi chuyến khơi rất khó khăn về nguồn nước uống, sinh hoạt Bình thường trước khơi tốn nhiều chi phí để mua, vận chuyển nước ngọt lên tàu để sử dụng ngày bám biển, vừa tốn công sức, tiền bạc lẫn diện tích khoang chứa tàu Từ đó làm giảm suất của mỗi lần khơi Chính vậy em muốn đóng góp một chút công sức nhỏ bẻ của vào việc sử dụng lượng mặt trời để tạo thiết bị có thể chưng cất nước ngọt từ nước biển để mỗi chuyến khơi của ngư dân dễ dàng, suất đánh bắt vì thế tăng lên Vậy nên em quyết định chọn đề tài tốt nghiệp : “ Tính toán thiết kế thu lượng mặt trời tạo nước cho tàu cá xa bờ ” iii Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Trong suốt năm năm ngồi giảng đường trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, em sự dạy dỗ và bảo tận tình của thầy cô giáo trường, đặc biệt là thầy cô giáo khoa Công nghệ Nhiệt - Điện lạnh Em xin chân thành cảm ơn: ➢ Toàn thể giáo viên trường Đại học Bách Khoa dạy dỗ, giúp em suốt trình học tập ➢ Toàn thể thầy, cô giáo khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh cung cấp cho em kiến thức bổ ích suốt trình học tập ➢ Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến cô giáo: TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN Cô tận tình bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em suốt thời gian qua để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình Trong trình tính toán, thiết kế đồ án chắn không tránh khỏi thiếu sót Em rất mong sự bảo tận tình của thầy, cô để em có thêm kiến thức bổ ích làm hành trang bước vào đời iv Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu đồ án này là trung thực và chưa hề sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này cảm ơn và thông tin trích dẫn đồ án ghi rõ nguồn gốc rõ ràng và đươc phép công bố Đà Nẵng, ngày 26 tháng năm 2017 SINH VIÊN v Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ MỤC LỤC TÓM TẮT i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỜI NÓI ĐẦU iii LỜI CAM ĐOAN v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 MẶT TRỜI VÀ CẤU TẠO MẶT TRỜI 1.2 NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI 1.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH BỨC XẠ MẶT TRỜI 1.3.1 Một số định nghĩa bản: 1.3.2 Bức xạ mặt trời truyền qua kính 1.3.3.Năng lượng xạ mặt trời ở Việt Nam 1.4 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.4.1 Ưu điểm 1.4.2 Nhược điểm 1.5 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10 1.5.1 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT 10 1.5.2 Thiết bị sấy bằng NLMT 10 1.5.3 Pin mặt trời 11 1.5.4 Nhà máy điện chạy bằng lượng mặt trời 12 1.5.5 Thiết bị chưng cất nước ngọt 13 1.5.6 Bếp nấu dùng NLMT 13 1.5.7 Động Stirling chạy bằng NLMT 14 1.5.8 Thiết bị làm lạnh, điều hoà không khí bằng NLMT 14 1.6 Một số ứng dụng của lượng mặt trời thế giới 15 1.6.1 Cao ốc văn phòng sử dụng lượng mặt trời 15 1.6.2 Cầu bộ sử dụng lượng mặt trời 16 1.6.3 Tàu thân 16 vi Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ 1.6.4 Sân vận động World Games (Đài Loan) 17 1.6.5 Nhà máy điện mặt trời PS20 (Tây Ban Nha) 17 1.6.6.Hệ thống nấu ăn sử dụng lượng mặt trời 18 1.6.7 Nhà máy điện mặt trời sản xuất điện cả đêm 18 1.6.8 Máy bay lượng mặt trời 19 1.6.9 Nhà máy điện Greenough River 20 1.7 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NLMT TẠI VIỆT NAM 20 CHƯƠNG 22 YÊU CẦU, NHIỆM VỤ THIẾT KẾ VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 22 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 22 2.1.1 Nhu cầu cấp thiết của nước ngọt 22 2.1.2 Hiện trạng hiện của tàu cá đánh bắt xa bờ 23 2.1.3 Mục đích của đề tài 25 2.2 Các công nghệ lọc nước mặn thành nước ngọt 26 2.2.1 Phương pháp chưng cất nước 26 2.2.2 Phương pháp thẩm thấu ngược RO 27 2.2.3 Phương pháp lọc nano 28 2.2.4 Sử dụng lượng mặt trời 30 2.2.5 Kết luận, chọn phương án 30 2.3.2 Yêu cầu, nhiệm vụ thiết kế 31 CHƯƠNG 3: 32 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ THU THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC 32 3.1 Tổng quan bộ thu 32 3.2 Nguyên lý hoạt động 32 3.3 Cấu tạo của ống hấp thụ nhiệt 33 3.3.1 Chọn môi chất nạp 33 3.3.2 Chọn lượng môi chất nạp 34 3.4 Các thông số của bộ thu và sở tính toán λ 35 3.4.1 Tính chọn kích thước bộ thu 36 3.5 Tính toán bộ thu tạo nước ngọt 37 3.5 Tính toán thông số 38 3.5.2 Tính hệ số toả nhiệt phức hợp từ ống kính d2 môi trường không khí 39 3.5.3 Phương trình cân bằng nhiệt bộ thu 40 vii Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ 3.5.4 Phương trình truyền nhiệt ống 42 3.5.5 Tính chiều dài lớp cách nhiệt 43 3.6 Chiều dày của lớp nước chưng cất 44 3.7 Độ nghiêng của tấm kính 44 CHƯƠNG 4: 45 TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ, LẮP ĐẶT VÀ KẾT LUẬN 45 4.1 Tính chọn thiêt bị 45 4.1.1 Ống chân không thu nhiệt 45 4.1.2 Gương phản xạ parabol 47 4.1.3 Chọn tấm phủ suốt 48 4.1.4 Lớp sơn phủ bề mặt hấp thụ 49 4.1.5 Bồn sản xuất nước ngọt 50 4.1.6 Tính chọn bơm nước biển 50 4.2 Chuẩn bị và lắp đặt thiết bị 51 4.2.1 Chuẩn bị 51 4.2.2 Lắp đặt thiết bị 52 4.3 Kết luận 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 viii Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH Hình 1 Cấu tạo mặt trời Hình Hình ảnh về mặt trời Hình Góc nhìn mặt trời Hình Thiết bị nước nóng dùng lượng mặt trời 10 Hình Hệ thống sấy cacao bằng lượng mặt trời 11 Hình Đèn đường lượng mặt trời 11 Hình PIN lượng mặt trời ở nông thôn 12 Hình Nhà máy nhiệt điện bằng lượng mặt trời 12 Hình Hệ thống chưng cất nước ngọt bằng lượng mặt trời 13 Hình 10 Bếp nấu lượng mặt trời ở Đức 14 Hình 11 Động Stirling 14 Hình 12 Tòa nhà Sun and the Moon Altar (Trung Quốc ) 15 Hình 13 Cầu bộ Kurilpa 16 Hình 14 Thuyền Planet Solar 16 Hình 15 Sân vận động World Games (Đài Loan) 17 Hình 16 Nhà máy điện mặt trời PS20 (Tây Ban Nha) 17 Hình 17 Bếp nấu ăn ở Shirdi, Maharashtra 18 Hình 18 Nhà máy điện mặt trời Gemasolar 19 Hình 19 Máy bay lượng mặt trời 19 Hình 20 Trang trại lượng mặt trời Greenough River 20 Hình Nước 22 Hình 2 Thành phần của nước biển 24 Hình Vận chuyển nước ngọt lên tàu 24 Hình Phương pháp chương cất nước 26 Hình Phương pháp thẩm thấu ngược RO 27 Hình Thiết bị lọc nước dùng công nghệ RO 28 Hình Phương pháp lọc Nano 29 Hình Thiết bị lọc nước dùng công nghệ Nano 29 Hình Chưng cất nước bằng lượng mặt trời 30 Hình Tổng quan bộ thu tạo nước 32 Hình Cấu tạo module bộ thu 33 Hình 3 Kết cấu bộ thu có gương phản xạ parabol 35 Hình Chu trình hoạt động của môi chất ống nhiệt 36 Hình Kích thước bể nước 42 Hình Đường cong suất nước cất phụ thuộc cường độ xạ và chiều dày lớp chưng cất 44 Hình Gương parabol và cách tính s 47 Hình Đặc tính của bơm 51 ix Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Bảng 1 Cường độ xạ trung bình ngày và trung bình năm Bảng Lượng tổng xạ xạ mặt trời trung bình ngày của tháng năm ở một số địa phương của nước ta, (đơn vị: MJ/m2.ngày) Bảng Số nắng và cường độ xạ khu vực Tây Bắc Bảng Kết quả kiểm tra thành phần nước trước và sau chưng cất 31 Bảng Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc 34 Bảng Các thông số của bộ thu 39 Bảng Ảnh hưởng của vật liệu khác làm tấm phủ 49 Bảng Kiểm tra so sánh dạng lớp phủ khác 50 x Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ  = 0,027W/mK; v= 16.10-6 m2/s d 4.0,0502 Re fd    12550  103  2.105  v 16.106 Tính 0,6 Nu  0, 22 Re0,6  60,3 fd  0, 22.12550 Suy bx  đl  0,027 60,3  32, W / m2 K  0,0502 0,1.5,67.108 (3194  3004 )  0,7 W / m2 K  319  300 Vậy hệ số toả nhiệt phức hợp từ bề mặt ống kính ngoài môi trường không khí là: α= 32,4+0,7= 33,1 W/m2K 3.5.3 Phương trình cân nhiệt thu 3.5.3.1 Trong ống nhiệt Ta có ts = 650C : Nhiệt độ sôi của methanol Giả sử nhiệt độ ban đầu nạp methanol vào ống t0 = 270C Trong ống nhiệt, trình lượng mặt trời gia nhiệt cho môi chất có thể hiểu vòng tuần hoàn của môi chất sau : 3.5.3.1.1 Vòng tuần hoàn của môi chất ống Ta có : Nhiệt lượng lượng mặt trời cung cấp cho ống nhiệt = Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ môi chất từ t0 =27 0C đến ts = 650C + Nhiệt lượng để hóa G(kg) methanol nQbxmt = nGm.Cp t + G.r Với n : số ống của bộ thu r =1116 kJ/kg : Nhiệt ẩn hóa của methanol Cp =2570 kJ/kgK : Nhiệt dung riêng của methanol  n.850.0,24 8.3600 = n.0,72.2570.(65-27) + G.1116.103  G = 5,2.n (kg) 3.5.3.1.2 Các vòng tuần hoàn của môi chất ống Ta có : SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 40 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Nhiệt lượng lượng mặt trời cung cấp cho ống nhiệt = Nhiệt lượng để hóa G’(kg) methanol n.Qbxmt= G’.r  n.850.0,24.8.3600 = G’.1116.103  G’= 5,26.n (kg) 3.5.3.1.3 Kết luận G( 5,2.n)  G’(5,26.n)  Ta có thể xem G = G’= 5,26.n Với n là số ống của bộ thu 3.5.3.2 Trong bồn sản xuất nước Theo mục phần thứ nhất tài liệu [4] thì nước biển bay ở áp suất không lớn 12 – 24 kilo pascal (0,123 – 0,246 at) Khi đó nhiệt độ bão hoà khoảng 50 – 60 oC Chọn nhiệt độ của bão hoà là : to = 60 o C = ts1 Nhiệt độ ban đầu của nước biển : t01 = 270C Ta có : Nhiệt lượng lượng mặt trời tới bồn + Nhiệt lượng để hóa G(kg) môi chất = Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ nước từ t01= 270C đến ts1= 600C Nhiệt lượng đề hóa G1(kg) nước  (Qbxmt2.8.3600) + G.r = Gbể.Cp1.(ts1-t01) + G1.r1 Với Cp1= 4180 kJ/kgK: Nhiệt dung riêng của nước Gbể : Khối lượng nước bể r1 = 2250 kJ/kg : Nhiệt ẩn hóa của nước G1 = 30kg : Lượng cần sản xuất 30 lít nước a,b : Các kích thước dài, rộng của bồn chứa h : Chiều cao mực nước bồn chứa Với chiều dài phần ngưng là 0,12m ; góc nghiêng là 450 thì ta chọn chiều cao h = 0,15m  (850.a.b.8.3600)+ 5,26.n.1116.103 = a.b.0,15.1000.4180.(60-27) + 30.2250.103  3789000.a.b + 5870160.n = 67500000 SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 41 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Chọn n = 10 ống  a.b = 2,32 m2 120 1160 Vậy chọn a = 2m, b = 1,16m 200 2000 Hình Kích thước bể nước 3.5.4 Phương trình truyền nhiệt ống Nhiệt độ nước vào t2’= 270C , t2’’ = 60 0C Nhiệt độ methanol t1’’ = 650C Giả thiết nhiệt độ vách tw = 620C 3.5.4.1 Đối với methanol Nhiệt độ trung bình của : tf1 = (t1’ + t1’’)/2 = (65 + 60)/2 = 62,5 0C Nhiệt độ lớp vách : 62 0C Nhiệt độ định tính của methanol : tm = (tw1 + tf1)/2 = (62 + 62,5)/2 = 62,250C Tra thông số của methanol với tm = 62,250C , ta : - Độ nhớt động học υ = 3,4.10-7 m2/s - Tính chất vật lý của môi chất Pr = 4,25 - Hệ số dẫn nhiệt λ =0,2082 W/mK Hệ số tỏa nhiệt 𝛼 của methanol : r. g. 𝛼1 = 0,943 = 4740 W/m2K  (ts  tw ).l 3.5.4.2 Đối với nước Nhiệt độ trung bình của nước : tf2 = (t2’ + t2’’)/2 = (27 + 60)/2 = 44 0C SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 42 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Nhiệt độ định tính của nước : tm = (tw1 + tf2)/2 = (62 +44)/2 = 53 0C Tra thông số của nước với tm = 53 0C , ta : - Độ nhớt động học υ = 5,34.10-7 m2/s - Tính chất vật lý của môi chất Pr = 3,38 - Hệ số dẫn nhiệt λn = 0,651 W/mK Hệ số giản nỡ nhiệt của nước : 𝛽 = 1/(tm + 273) = 1/(53 + 273) = 0,0031 1/K Cường độ đối lưu tự nhiên cuả nước Gr 9,81.0,0031.(62  44).[0,0502]3 g. t.[l ]3 = = 24,3.107 Gr  7 2 (5,34.10 )  Tích số (Gr.Pr)m =82.10 Suy C = 0,135 ; n= 0,33 Tiêu chuẩn Nusselt : Nu = C.(Gr.Pr)mn = 0,135.(82.107)0,33 = 118 Hệ số tỏa nhiệt 𝛼 của nước : 𝛼2 = 𝑁𝑢.𝜆 𝑙 = 118.0,651 0,0502 = 1530W/m2K 3.5.4.3 Tính hệ số truyền nhiệt K k= d 1  ln   d1.1 2d d1  d2  = = 62,28 W/mK 1 0,0502  ln   0,047.4740 2 0,047  0,0502.1530 3.5.5 Tính chiều dài lớp cách nhiệt Qyeu cau = Gbe.Cp.( ts – to ) + G1.r Suy nhiệt lượng nước bể cần nhận 1s : Q Q1 = yeucau 12.3600 = 0,5.1000.4,18.(60  27)  (2250.30) =3,16 kW = 3160 W 12.3600 qtt= 8%.Q =8%.3160 = 253 W Chon cách nhiệt bằng bống thủy tinh l =0,055 W/mK Độ chênh nhiệt độ ∆𝑡 =60-27 = 330C Chọn chiều dày cách nhiệt 𝛿𝑐𝑛 = 0, 055.33 103 = 20(mm) 220 Đảm bảo bọc cách nhiệt tốt nhất, ta chọn 𝛿𝑐𝑛 = 1,5.20 = 30mm Với 1,5 – hệ số an toàn SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 43 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Khi đó tổn thất nhiệt là qtt = 0, 055.33 10 = 96(W) 30 3.6 Chiều dày của lớp nước chưng cất Các kết quả thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của cường độ xạ tới chiều dày của lớp nước chưng cất đến lượng nước thu sau : Hình Đường cong suất nước cất phụ thuộc cường độ xạ và chiều dày lớp chưng cất Từ đây, ta thấy suất nước cất ngày càng tăng cường độ xạ tăng và chiều dày lớp nước chưng cất giảm 3.7 Độ nghiêng của kính Nếu độ nghiêng của tấm kính tăng thì phần bóng che của nó lên mặt nước nói chung tăng Do đó phải quan tâm đến việc chọn độ nghiêng nhỏ nhất Dĩ nhiên là không nhỏ để cho giọt nước ngọt bị tách rời khỏi mặt kính trước chảy đến cạnh đáy của tấm kính Thực nghiệm cho thấy độ nghiêng tốt nhất là 150 SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 44 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ CHƯƠNG 4: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ, LẮP ĐẶT VÀ KẾT LUẬN 4.1 Tính chọn thiêt bị 4.1.1 Ống chân không thu nhiệt 4.1.1.1 Các bước chế tạo ống 4.1.1.1.1 Chọn vật liệu - Việc đầu tiên là lựa chọn chất liệu thủy tinh để sản xuất ống, đối với ống chân không thu nhiệt thì chất liệu thủy tinh lựa chọn là Borosilicate (3.3 ± 0,1) ×10-6K-1 Đây là loại thủy tinh có độ tinh khiết cực cao và độ bền vượt trội so với loại thủy tinh thông thường có mặt thị trường, chịu rất tốt sự thay đổi nhiệt độ đột ngột môi trường - Các bước thực hiện công đoạn này theo trình tự là: (Chế tạo ống và ống ngoài) cắt → làm tròn đáy → nối ống thoát khí (ống hút khí)→ lửa → kiểm tra dò (thử dò) Ghi chú: Việc lựa chọn chất liệu thủy tinh không thích hợp và bước tiến hành công đoạn chế tạo ống không tốt sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của ống chân không thu nhiệt rất nhiều 4.1.1.1.2 Rửa sạch Đối với ống chân không thu nhiệt, việc rửa ống không kém phần quan trọng Nhà sản xuất dùng nước Ion tinh khiết để rửa ống Sau lượt rửa, ống chân không thu nhiệt sẽ tiến hành sấy khô lò sấy với nhiệt độ thích hợp 4.1.1.1.3Phun mạ Đây là khâu rất quan trọng, công đoạn phun mạ sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất hấp thụ nhiệt của ống tuổi thọ của ống Ống chân không thu nhiệt áp dụng công nghệ phun xạ Magnetron(điều khiển từ), thông qua sự phóng điện phát sáng (1 hiện tượng vật lý), làm Ion khí mang cực dương oach kích bề mặt ngoài của ống tạo độ kết dính, tạo phun xạ phóng nguyên tử và tạo kết cấu nguyên tử kim loại bề mặt, đồng thời lắng tụ lại thành lớp màng bề mặt ngoài của ống bên trong(Phần phun mạ là lớp ngoài của ống trong, phần này không tiếp xúc với nước sử dụng nên không ảnh hưởng tới vệ sinh của nước Giống là sơn phần bên ngoài của ly uống nước vậy) Ống chân không thu nhiệt của máy nước nóng lượng mặt trời phun mạ lớp (SS-CU-Ti-N/AL Đây là công nghệ độc quyền của EDIG SOLAR – ISRAEL với sự chuyển giao từ Chiryu Solar – Japan), lớp cùng là lớp tạo độ bám bề mặt với công nghệ Magnetron, hai lớp bên ngoài là lớp hấp thụ phun xạ với công nghệ Nanomax bụi kim SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 45 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ loại( [Lớp kết dính bề mặt] – [Đồng+Titan] – [Nhôm+Chất hấp thụ]) làm tăng hiệu suất hấp thụ lên tới 96% 4.1.1.1.4 Hàn miệng ống Việc hàn đầu ống và ngoài của máy nước nóng lượng mặt trời thực hiện nhiệt độ 400 độ C, công nghệ và kỹ thuật hàn đầu ống của máy lượng mặt trời thực hiện đồng bộ Nếu là sản phẩm loại thường có mặt thị trường hiện thì đa phần thực hiện công đoạn hàn lẻ tẻ và riêng biệt Chính vì điều này độ xác không cao làm thủ công, điều này dẫn tới chất lượng của từng ống chân không cùng loại là không đồng đều một mức nào đó 4.1.1.1.5 Thoát khí (hút chân không) Công đoạn hút chân không sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng ống và hiệu suất hấp thụ Đối với ống chân không của máy Solarheps việc hút không khí ngoài thực hiện với nhiệt độ dưới 400 độ C Ống chân không thu nhiệt có chất liệu là thủy tinh Borosilicate (3.3 ± 0,1) × 10-6K-1 , độ dày là 1.6mm nên hút chân không thời gian là 48h, vượt xa so với loại thường Hiện thị trường, ống chân không thu nhiệt thường hút chân không 25 đến 30 giờ, lý là chất liệu thủy tinh kém chất lượng và mỏng nên việc hút chân không thời gian dài sẽ dẫn đến tình trạng ống bị nổ Khi ống chân không thu nhiệt có thời gian hút chân không ngắn sẽ không hết không khí ống và gây hiện tượng mất nhiệt đối lưu, sau một thời gian sử dụng thì hiện tượng hiệu ứng nhà kính xuất hiện, nước lắng đọng sẽ làm bong tróc lớp phun mạ, ống coi không thể sử dụng 4.1.1.1.6 Dung dịch hút khí phân tán ổn định chân không Để nâng cao độ chân không, ống chân không thu nhiệt của máy dùng dung dịch hút khí kết hợp với Bari để làm phân tán nước dưới nhiệt độ cao hình thành bề mặt kính khử không khí Sau công đoạn này ống hàn kín và thử nghiệm trước đóng gói để xuất xưởng Ống chân không thu nhiệt sử dụng nhiều năm ở Đức, Canada, Trung Quốc và Vương quốc Anh, Việt Nam Có một số loại ống chân không sử dụng ngành lượng mặt trời Bộ thu nhiệt sử dụng loại “ống thủy tinh cặp” phổ biến nhất Đây là loại ống lựa chọn vì hiệu suất, độ tin cậy và chi phí sản xuất thấp Mỗi ống chân không thu nhiệt bao gồm hai ống bằng kính làm từ thủy tinh borosilicate cực kỳ bền Ống bên ngoài suốt cho phép tia sáng qua và phản chiếu tối thiểu Ống bên phủ một lớp phủ chọn đặc biệt (Al-N/Al) có tính hấp thụ xạ mặt trời tuyệt vời và phản chiếu tối thiểu Phía cùng của hai ống đúc kín lại với và không khí khoảng hai lớp kính bơm ngoài đưa ống tiếp xúc với nhiệt độ cao SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 46 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ “Việc hút chân không” này của chất khí tạo thành một chân không, là một yếu tố quan trọng hoạt động của ống chân không thu nhiệt 4.1.1.1.7 Nạp môi chất Như tính chọn ở phần đầu, môi chất nạp ở là methanol với G = 0,72 kg 4.1.1.2 Chọn số ống Như tính toán phần trên, ta sử dụng bộ thu gồm 10 ống 4.1.2 Gương phản xạ parabol R r L  y r f M(x,y) ds dy x dx r Hình Gương parabol và cách tính s SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 47 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Xét gương parabol trụ rộng 2r, dài L tập trung phản xạ vào mặt thu hình ống trụ đường kính d đặt tiêu điểm thì độ tập trung là: k = + R( 2𝑟 –1) 𝜋𝑑 Suy : Kmax = 2𝑟 𝜋𝑑 = 200𝑟 𝜋𝑓 Để có mặt parabol trụ y = 𝑥2 4𝑓 có tiêu cự f độ rộng k, cần uốn tấm tôn có độ dài s tính theo công thức : Do : ds = √𝑑𝑥 𝑟 √𝑥 ∫ 𝑓 Suy : s = 𝑟 ) 2𝑓 Vậy s = r√( 𝑑𝑦 + 𝑑𝑦 = dx.√1 + ( )2 𝑑𝑥 + 4𝑓 dx + + 2.𝑓.ln[ 𝑟 2𝑓 𝑟 + √( )2 + 1] 2𝑓 Vậy với r = 0,1m; f= 0,029m cần tấm tôn dài 0,28m 4.1.3 Chọn phủ suốt Chức của tấm phủ suốt là cách ly bề mặt hấp thụ với môi trường bên ngoài, đó giảm sự mất mát nhiệt, làm ngưng tụ phần tử nước bốc lên Tấm phủ suốt lý tưởng cần phải cho xuyên qua sóng ngắn xạ mặt trời ( tia xạ trực tiếp và xạ khuếch tán ) đồng thời ngăn cản tia xạ có bước dài phát từ bề mặt hấp thụ, tức là tạo hiệu ứng lồng kính Một chức của tấm phủ suốt là bảo vệ bề mặt hấp thụ khỏi bị bám bẩn với mục đích kéo dài độ bền của lớp sơn phủ bề mặt hấp thụ Tuy nhiên tấm phủ suốt có nhược điểm : • Nó có tác dụng làm giảm xạ mặt trời tới Do đó cần dùng vật liệu với sự cho xuyên ánh sáng cao, đó là vật liệu suốt kính • Giá thành thiết bị sẽ tăng lên Nên việc chọn vật liệu làm tấm phủ suốt không dựa vào tính hiệu quả riêng về kỹ thuật của nó mà dựa độ bền, giá thành và sự sẵn có của nó Bảng dưới liệt kê vật liệu thông dụng làm tấm phủ suốt về sự tiện ích và bất tiện của chúng : SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 48 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Vật liệu Sự thuận tiện Kính - Tấm nhựa Kính tổng hợp Sự bất tiện Tương đối ổn định ( vững ) - Nặng - Không sẵn có ở mọi nơi - Có thể rất đắt - Dễ vỡ ném đá - Độ bền từ vài tháng đến vài năm - Độ bền cần phải cân nhắc so sánh với giá cả - Khả xuyên ánh sánh kém ( mờ đục ) - Không có sẵn ở mọi nơi - Có thể rất đắt Bền lâu - Nhẹ - Dễ làm ( sử dụng ) - Sẵn có mọi nơi - Khả xuyên suốt ánh sáng lớn ( đến 98%) - Nhẹ - Dễ làm ( sử dụng ) - Tính chất cách nhiệt tốt Bảng Ảnh hưởng của vật liệu khác làm tấm phủ Ở ta chọn tấm phủ làm bằng vật liệu là kính vì đặc tính của nó và kính giúp thuận lợi cho trình ngưng giọt * Độ nghiêng của tấm kính Nếu độ nghiêng của tấm kính tăng thì phần bóng che của nó lên mặt nước nói chung tăng Do đó phải quan tâm đến việc chọn độ nghiêng nhỏ nhất Dĩ nhiên là không nhỏ để cho giọt nước ngọt bị tách rời khỏi mặt kính trước chảy đến cạnh đáy của tấm kính Thực nghiệm cho thấy độ nghiêng tốt nhất là 150 4.1.4 Lớp sơn phủ bề mặt hấp thụ Để tăng khả hấp thụ xạ mặt trời, người ta thường phủ lên bề mặt hấp thụ một lớp sơn Một lớp sơn đen có tỷ lệ hấp thụ từ 90 – 95% lượng xạ mặt trời và chuyển thành nhiệt SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 49 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Làm thí nghiệm bằng cách dùng ống có đường kính bằng nhau, và sơn với sơn đen khác Đặt lên một khung với tấm kính ngoài, cách nhiệt phần dưới và bên, mỗi ống chứa đầy nước và đặt toàn bộ dưới ánh nắng mặt trời dải nhiệt độ của nước đo biểu thị tổng xạ nhận và tổng kết theo bảng sau : Cách phủ Bình Thời gian kiểm tra phun sơn Quét sơn Bitum Nhựa đường Thời gian 16 phút Chế độ 640 W/m2 8,90C 8,80C 8,60C Thời gian 36 phút 300 W/m2 16,60C 16,40C 16,10C 8,20C 8,10C 7,90C Thời gian 36 phút 200 W/m2 Bảng Kiểm tra so sánh dạng lớp phủ khác Ta thấy rằng lớp phủ càng mỏng càng tốt, nó cần phủ với chiều dày tối thiểu có thể vì bản thân lớp sơn phủ là lớp có tác dụng cách nhiệt Kết quả tốt nhất là dùng sơn phun một lớp mỏng lên bề mặt hấp thụ là bề mặt chứa nước 4.1.5 Bồn sản xuất nước Có dạng hình hộp rỗng phía để lắp tấm phủ suốt - Có thể dùng inox chống ăn mòn để chế tạo hộp, sơn lớp chống ăn mòn nước biển có tính ăn mòn cao - Tính chọn chiều dài của bồn là 2m; chiều rộng của bồn là 1,73m; chiều cao của mặt trước là 0,35m; mặt sau là 0,48m - Bồn bọc lớp cách nhiệt dày 50mm đảm bảo cho nước giữ nóng để bốc liên tục và ngưng tụ - Máng cho nước ngọt chảy xuống hàn kín vào mặt trước của bồn - Có thể tháo lắp dễ dàng để thuận tiện cho việc vệ sinh cặn muối bám bồn sau nước biển bay 4.1.6 Tính chọn bơm nước biển Khi bơm nước biển vấn đề lớn nhất gặp phải đó là sự ăn mòn Máy bơm nước biển yêu cầu cấu trúc bơm làm từ thép không gỉ hay gọi là inox và nó sử dụng rộng rãi máy bơm nước biển nước muối hay ở lĩnh vực khử muối nước, dầu khí, hóa chất, nhà máy nhiệt điện và điện hạt nhân SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 50 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Một hãng bơm tiếng cho ứng dụng này là bơm Wilo đưa giải pháp hiện để khắc phục sự cố ăn mòn kẽ hở và nhìn vào tiến bộ mới nhất lĩnh vực này Clorua hòa tan và muối khác chứa một số lượng lớn nước biển gây tính ăn mòn cục bộ của thép không gỉ và kim loại khác Với sự ăn mòn sẽ gây rỗ bề mặt và tạo kẽ hở hạt và ăn mòn.Các hóa chất kết hợp này làm tăng sự ăn mòn của thép và hợp kim đồng, đặc biệt là ở phía bên dòng chảy thoát Biện pháp cho máy bơm nước biển đưa : Thép không gỉ, mà là vật liệu sử dụng rộng rãi nhất là đối với máy bơm nước biển, rất nhạy cảm với ăn mòn kẽ hở và yêu cầu biện pháp đối phó có hiệu quả chống lại nó Ở sử dụng hợp kim chống ăn mòn cao loạt Ni-Fe-30Cr-10Mo phủ lên kim loại bản tương đối thấp có giá 316 SS, giúp ngăn ngừa sự ăn mòn kẽ hở Sản phẩm máy bơm nước biển cung cấp vỏ bọc của nước biển bơm, trục, vỏ bơm, và ống dẫn cho độ bền lên tới 20 năm Với kích thước tính chọn của bể là dài 2m, rộng 1,16m, mức nước bể 0,15m Vậy lưu lượng nước cố định 0,348 m3, ta chọn bơm với thông số và có lắp thêm van trước vào bể nước Hình Đặc tính của bơm 4.2 Chuẩn bị lắp đặt thiết bị 4.2.1 Chuẩn bị - Chọn vị trí thích hợp tàu để lắp đặt, tránh ảnh hưởng đến việc hấp thụ lượng mặt trời của bộ thu vì nó quyết định đến khả hấp thụ SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 51 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ lượng cung cấp cho hệ thống hoạt động Vì thời điểm xạ mặt trời là max ngày là vào buổi chiều nên ta sẽ chọn theo hướng Tây để đặt bộ thu Ngoài ta cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của vị trí lắp đến việc đánh bắt - của tàu Đường nước với bằng đường ống nước bằng nhựa dẻo và bằng thép Đường kính ống nhựa là 34mm, ống thép là 27mm ống nhựa có đầu thu và nối ống, cút vuông để chuyển hướng ống Tương tự vậy, ống thép có đầu thu, cút nối chuyển hướng và bắt buộc phải có rắc co để nối ống (vì là ống cứng) Đường cấp nước vào bể chứa nước - cần có van để điều chỉnh lượng nước cấp vào Lắp đặt đường nước,giá đỡ cần chuẩn bị dụng cụ phụ trợ khác (mỏ lết, kìm chết và bulông đai ốc v v ) 4.2.2 Lắp đặt thiết bị - Trước tiên cần lắp hệ thống khung giá đỡ cho hệ thống , đảm bảo chắn trình vận hành và không vận hành bằng bu lông bám chặt vào nền - Đo đạc kích thước và cố định ống góp lên giá - Tiến hành lắp ống thu nhiệt, phải hết sức cẩn thận vì nó rất dễ vỡ, ống thu phải tuyệt đôi kín lắp vào ống góp, ta dùng đầu đệm cao su để thực hiện việc lắp đặt này - Chân đỡ ống thu cố định sau lắp xong ống, chân vít chặt vào giá đỡ Tốt nhất việc lắp ống thu là lắp vào lúc tầm chiều tối vì đó trời mát, hết nắng không ảnh hưởng tới ống thu - Đặt bồn nước lên giá đỡ, tiến hành lắp phần của bộ thu, canh đo theo kích thước tính toán và cố định bằng bulong, vít … - Đặt tấm kính, và tiến hành bọc cách nhiệt cho bồn nước - Lắp đặt bơm, sau đó lắp van vào trước bể nước để điều chỉnh lượng nước theo tính toán 4.3 Kết luận - Theo tiêu chuẩn lượng mặt trời của nước ASEAN, thì tất cả vùng của Việt Nam đều có thể sử dụng thiết bị ĐNNMT Tiềm năng lượng mặt trời của Đà Nẵng là ở mức khá, nhiên lại phân bố không đều ở tháng năm - Với việc sử dụng bộ thu để chưng cất nước đem lại hiệu quả lâu dài cho tàu thuyền nếu so với phương pháp truyền thống là mang theo nước ngọt trước khơi, vừa tốn chi phí, công sức làm giảm suất của mỗi chuyển khơi SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 52 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ - Giá thành thiết bị cao, tương lai đồng bộ giá thành của thiết bị sẽ giảm xuống đáng kể - Tuổi thọ của bộ thu thiết bị chưng cất nước cao, khoảng từ 10-15 năm SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 53 Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ TÀI LIỆU THAM KHẢO (1) Nguyễn Bốn – Hoàng Dương Hùng Giáo trình lượng mặt trời (2) Nguyễn Công Vân Năng lượng mặt trời – Quá trình nhiệt ứng dụng (3) Hoàng Dương Hùng Năng lượng mặt trời – Lý thuyết ứng dụng (4) GS TSKH Đặng Quốc Phú (chủ biên) – PGS TS Trần Văn Phú – PGS PTS Trần Thế Sơn “Truyền nhiệt ” Nhà xuất giáo dục – 1999 (5) Phạm Lê Dần - Đặng Quốc Phú “Bài tập sở kỹ thuật nhiệt ” Nhà xuất giáo dục - 2002 (6) PGS – TS Bùi Hải “Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ” Nhà xuất giao thông vận tải - 2002 (7) Kỹ sư – máy trưởng: Trần Huy Dũng “Lý thuyết vận hành , bảo dưỡng thiết bị chưng cất nước tàu thuỷ” Nhà xuất giao thông vận tải -1991 (8) PGS PTS Phạm Lê Dần – PGS PTS Bùi Hải “Nhiệt động kỹ thuật ” Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 1997 (9) Nguyễn Duy Thiện “Kỹ thuật sử dụng lượng mặt trời ” NXB Xây Dựng- 2001 (10) Phùng Hồ, Bộ môn vật lý chất rắn, Khoa ĐHTC Bách Khoa Hà Nội “Kỹ thuật chân không ” Hà Nội- 1976 (11)Trần Văn Vang – Chuyên đề ống nhiệt SVTH: NGUYỄN THANH TÂM GVHD : TH.S BÙI THỊ HƯƠNG LAN 54 ... tài tốt nghiệp : “ Tính toán thiết kế thu lượng mặt trời tạo nước cho tàu cá xa bờ ” iii Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Trong suốt năm năm... Đề Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ Giờ mặt trời: là thời gian dựa chuyển động biều kiến của mặt trời bầu trời, với quy ước mặt trời ngọ... Tài: Tính Toán Thiết Kế Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời Tạo Nước Ngọt Cho Tàu Cá Xa Bờ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 MẶT TRỜI VÀ CẤU TẠO MẶT TRỜI Hình 1 Cấu tạo mặt trời Mặt