Luận văn: Thiết kế hệ thống sấy bánh tráng năng lượng mặt trời quy mô nông hộ

Luận văn thiết kế, chế tạo hệ thống sấy bánh tráng năng lượng mặt trời cho nông hộ. Giải pháp hiệu quả, giảm 1/2 thời gian phơi, bảo vệ sản phẩm.

• Tác giả: Nguyễn Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Minh Cường
• Trường học: Đại học Nông Lâm Huế
• Chuyên ngành: Cơ khí - Công nghệ
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống sấy bánh tráng sử dụng năng lượng mặt trời phù hợp với quy mô nông hộ sản xuất bánh tráng trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Giải pháp sấy bánh tráng năng lượng mặt trời cho nông hộ

Việt Nam, với lợi thế là một quốc gia nhiệt đới có số giờ nắng cao, sở hữu tiềm năng to lớn để phát triển các ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT). Đặc biệt trong lĩnh vực nông nghiệp, sấy nông sản bằng năng lượng mặt trời đang nổi lên như một giải pháp bền vững, thay thế dần các phương pháp truyền thống. Sấy là công đoạn quan trọng trong quá trình bảo quản sau thu hoạch, giúp giảm độ ẩm của sản phẩm, ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật và kéo dài thời gian sử dụng. Hệ thống sấy bánh tráng năng lượng mặt trời cho nông hộ là một ứng dụng tiêu biểu, khai thác nguồn năng lượng sạch, vô tận để cải thiện quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng hiệu quả kinh tế. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhà kính, nơi năng lượng từ bức xạ mặt trời được bẫy lại bên trong một không gian kín, làm tăng nhiệt độ không khí. Không khí nóng này sau đó được lưu thông qua các khay chứa bánh tráng, mang theo hơi ẩm và làm khô sản phẩm. Mô hình này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí sản xuất bánh tráng do không tiêu tốn nhiên liệu đốt mà còn đảm bảo sản phẩm sạch, an toàn, đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng cao của thị trường. Việc ứng dụng công nghệ này mở ra hướng đi mới cho các làng nghề truyền thống, giúp họ tự chủ sản xuất và phát triển một cách bền vững.

1.1. Tiềm năng ứng dụng sấy nông sản bằng năng lượng mặt trời

Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến với tổng số giờ nắng trung bình năm rất lớn, đặc biệt khu vực miền Trung có thể đạt tới 2.900 giờ/năm với cường độ bức xạ cao (lên đến 950W/m2). Đây là điều kiện lý tưởng để triển khai rộng rãi các thiết bị sử dụng NLMT. Việc ứng dụng công nghệ sấy nhiệt mặt trời vào sản xuất nông sản, đặc biệt là bánh tráng, không chỉ giải quyết bài toán về năng lượng mà còn phù hợp với xu hướng phát triển nông nghiệp sạch. Các mô hình sấy nông sản quy mô nhỏ có chi phí vận hành thấp, bảo trì đơn giản, rất phù hợp với điều kiện kinh tế của đa số nông hộ. Thay vì phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm, NLMT là nguồn năng lượng tái tạo, sạch và bền vững, góp phần bảo vệ môi trường và tạo ra sản phẩm an toàn cho người tiêu dùng.

1.2. Khái niệm về nhà sấy hiệu ứng nhà kính và nguyên lý hoạt động

Một nhà sấy hiệu ứng nhà kính về cơ bản là một buồng sấy được bao bọc bởi các vật liệu trong suốt như kính hoặc tấm polycarbonate. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên việc cho phép bức xạ mặt trời (sóng ngắn) đi qua nhưng giữ lại bức xạ nhiệt (sóng dài) phát ra từ bên trong. Năng lượng mặt trời khi đi vào nhà sấy sẽ được tấm hấp thụ (thường sơn màu đen) chuyển hóa thành nhiệt năng, làm nóng không khí. Lớp không khí nóng này nhẹ hơn, di chuyển lên trên tạo ra dòng hệ thống sấy đối lưu không khí tự nhiên, liên tục luân chuyển qua vật liệu sấy, lấy đi hơi ẩm và thoát ra ngoài. Quá trình này giúp bánh tráng khô đều mà không cần sử dụng điện hay nhiên liệu đốt, mang lại hiệu quả cao và chi phí vận hành gần như bằng không.

II. Cách sấy bánh tráng không phụ thuộc thời tiết và bụi bẩn

Phương pháp phơi bánh tráng truyền thống dưới ánh nắng tự nhiên tồn tại nhiều nhược điểm cố hữu, gây ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Các nông hộ thường phải đối mặt với rủi ro thời tiết mưa nắng thất thường, đòi hỏi tốn nhiều nhân công để di chuyển và che đậy bánh. Tình trạng đô thị hóa cũng làm thu hẹp diện tích sân phơi, gây khó khăn cho việc mở rộng sản xuất. Vấn đề nghiêm trọng nhất là vệ sinh an toàn thực phẩm. Bánh tráng phơi ngoài trời không được che chắn dễ bị nhiễm bụi bẩn, vi sinh vật, côn trùng, không đáp ứng được các tiêu chuẩn xuất khẩu và yêu cầu của người tiêu dùng hiện đại. Những thách thức này thúc đẩy sự ra đời của một giải pháp sấy khô cho nông hộ hiệu quả hơn. Lò sấy bánh tráng NLMT được thiết kế như một hệ thống khép kín, bảo vệ sản phẩm hoàn toàn khỏi các tác nhân gây hại từ môi trường bên ngoài. Nhờ đó, quá trình sấy bánh tráng không phụ thuộc thời tiết, có thể hoạt động ổn định ngay cả khi trời ít nắng, đảm bảo tiến độ sản xuất và chất lượng đồng đều cho mỗi mẻ. Đây là bước tiến quan trọng giúp các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ nâng cao năng lực cạnh tranh và phát triển bền vững.

2.1. Hạn chế của phương pháp phơi bánh tráng truyền thống

Phơi nắng tự nhiên là phương pháp đơn giản và chi phí thấp, nhưng đi kèm nhiều hạn chế. Thứ nhất, sản xuất hoàn toàn bị động trước điều kiện thời tiết; một cơn mưa bất chợt có thể làm hỏng cả mẻ bánh. Thứ hai, quá trình này đòi hỏi nhiều lao động thủ công cho việc dàn phơi, lật trở và thu gom, làm tăng chi phí nhân công. Thứ ba, nhiệt độ phơi không ổn định, có thể quá cao gây nứt vỡ hoặc quá thấp khiến thời gian phơi kéo dài, ảnh hưởng đến độ giòn và màu sắc của bánh. Cuối cùng, việc phơi ở sân bãi, lề đường làm giảm chất lượng vệ sinh, một rào cản lớn khi muốn đưa sản phẩm vào các kênh phân phối hiện đại.

2.2. Thách thức về vệ sinh an toàn thực phẩm trong sản xuất

Trong bối cảnh người tiêu dùng ngày càng quan tâm đến sức khỏe, vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm trở thành yếu tố sống còn của doanh nghiệp. Bánh tráng phơi thủ công rất khó kiểm soát các nguồn ô nhiễm. Bụi từ đường sá, phân động vật, côn trùng (ruồi, nhặng) có thể dễ dàng tiếp xúc với sản phẩm, mang theo mầm bệnh nguy hiểm. Việc không đảm bảo vệ sinh không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe người dùng mà còn làm giảm uy tín của thương hiệu, gây khó khăn trong việc tiêu thụ và đặc biệt là không thể đáp ứng các tiêu chuẩn để xuất khẩu. Do đó, việc chuyển đổi sang một quy trình sản xuất khép kín là yêu cầu cấp thiết.

III. Hướng dẫn nguyên lý hoạt động của lò sấy bánh tráng NLMT

Các nhà sấy năng lượng mặt trời được phân loại dựa trên phương thức truyền nhiệt và lưu thông không khí. Về cơ bản, có ba nguyên lý chính: sấy trực tiếp, sấy gián tiếp và sấy hỗn hợp. Mỗi nguyên lý có những ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại nông sản và quy mô sản xuất khác nhau. Đối với bánh tráng, một sản phẩm mỏng và cần khô đều, việc lựa chọn nguyên lý sấy phù hợp là yếu tố quyết định đến chất lượng cuối cùng. Trong đó, hệ thống sấy hỗn hợp kết hợp đối lưu tự nhiên đang được xem là lựa chọn tối ưu cho quy mô nông hộ. Nó tận dụng được cả nguồn nhiệt trực tiếp từ bức xạ mặt trời chiếu lên sản phẩm và nguồn nhiệt gián tiếp từ không khí được làm nóng trong bộ thu nhiệt. Sự kết hợp này giúp tăng hiệu suất sấy, rút ngắn thời gian và đảm bảo bánh khô đồng đều từ trong ra ngoài. Cơ chế đối lưu tự nhiên, tức là sự di chuyển của không khí nóng lên trên, giúp hệ thống vận hành mà không cần đến quạt, tiết kiệm chi phí lắp đặt và năng lượng. Đây là công nghệ sấy nhiệt mặt trời đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao, dễ dàng áp dụng tại các địa phương.

3.1. Phân loại các hệ thống sấy nông sản bằng năng lượng mặt trời

Hệ thống sấy NLMT được chia thành ba loại chính. Sấy trực tiếp: sản phẩm được đặt trong buồng sấy có mái trong suốt, bức xạ mặt trời chiếu thẳng vào làm nóng và khô sản phẩm. Sấy gián tiếp: không khí được làm nóng tại một bộ phận riêng gọi là bộ thu nhiệt (collector), sau đó luồng khí nóng này được dẫn vào buồng sấy. Sấy hỗn hợp: kết hợp cả hai phương pháp trên, sản phẩm vừa nhận nhiệt trực tiếp từ mặt trời, vừa được sấy bằng luồng khí nóng từ bộ thu. Theo nghiên cứu, mô hình sấy hỗn hợp cho hiệu quả cao nhất vì tận dụng tối đa nguồn năng lượng.

3.2. Cơ chế của hệ thống sấy đối lưu không khí tự nhiên

Hệ thống sấy đối lưu không khí tự nhiên hoạt động dựa trên nguyên tắc vật lý cơ bản: không khí khi được làm nóng sẽ giãn nở, giảm khối lượng riêng và bay lên cao. Trong một nhà sấy NLMT, không khí lạnh từ bên ngoài đi vào cửa dưới của bộ thu nhiệt, được mặt trời làm nóng và di chuyển lên trên, đi vào buồng sấy. Tại đây, nó hấp thụ hơi ẩm từ bánh tráng rồi theo cửa thoát khí phía trên đi ra ngoài. Dòng đối lưu này diễn ra một cách tự nhiên và liên tục khi có ánh nắng mặt trời, tạo ra một quy trình sấy hiệu quả mà không cần đến quạt hay các thiết bị cơ khí phức tạp, giúp giảm chi phí và đơn giản hóa vận hành.

IV. Chi tiết mô hình sấy nông sản quy mô nhỏ cho nông hộ

Dựa trên các nghiên cứu thực tiễn, một mô hình sấy nông sản quy mô nhỏ phù hợp cho nông hộ đã được thiết kế và chế tạo, với năng suất khoảng 25kg/mẻ. Mô hình này là một hệ thống sấy bánh tráng sử dụng năng lượng mặt trời kiểu hỗn hợp, đối lưu tự nhiên, có kết cấu đơn giản và sử dụng vật liệu phổ biến. Cấu trúc chính bao gồm một bộ thu nhiệt (collector) và buồng sấy. Bộ thu nhiệt có bề mặt hấp thụ sơn đen để tối đa hóa việc chuyển hóa quang năng thành nhiệt năng, được che phủ bằng tấm lợp polycarbonate lấy sáng, một vật liệu có khả năng truyền sáng tốt và giữ nhiệt hiệu quả. Buồng sấy được thiết kế với các giàn phơi hình bậc thang, giúp tối ưu hóa không gian và đảm bảo luồng không khí nóng tiếp xúc đều với tất cả các lớp bánh. Một điểm cải tiến quan trọng của mô hình này là khả năng bán tự động. Hệ thống được trang bị bộ điều khiển kết hợp cảm biến mưa và hẹn giờ, có thể tự động thu gọn các khay sấy khi thời tiết thay đổi đột ngột hoặc khi đã đủ thời gian sấy. Cơ cấu này sử dụng bộ truyền động xích đơn giản, hiệu quả và được cấp năng lượng từ một tấm pin năng lượng mặt trời cho máy sấy, giúp hệ thống hoàn toàn tự chủ về năng lượng.

4.1. Cấu tạo bộ thu nhiệt và tấm lợp polycarbonate lấy sáng

Bộ thu nhiệt là trái tim của hệ thống sấy. Nó bao gồm một tấm kim loại (tôn, nhôm) được sơn đen mờ để có hệ số hấp thụ bức xạ cao. Phía trên tấm hấp thụ là lớp che phủ bằng tấm lợp polycarbonate lấy sáng. Vật liệu này được ưa chuộng hơn kính vì nhẹ, bền, khó vỡ và có hiệu ứng nhà kính tốt. Phía dưới và xung quanh tấm hấp thụ là lớp cách nhiệt (sợi thủy tinh, mút xốp) để hạn chế tổn thất nhiệt ra môi trường. Cấu tạo này đảm bảo không khí đi qua collector có thể được làm nóng lên nhiệt độ cao một cách hiệu quả, sẵn sàng cho quá trình sấy.

4.2. Thiết kế giàn sấy gấp xếp thông minh và bộ truyền động xích

Để tăng tính tiện lợi, giàn sấy được thiết kế theo dạng bậc thang và có thể gấp xếp gọn gàng. Theo tài liệu nghiên cứu, việc lựa chọn bộ truyền động xích là phương án tối ưu để xếp các khay sấy một cách đơn giản và hiệu quả. Hệ thống này được điều khiển bởi một động cơ điện một chiều nhỏ, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm (LOGO). Khi có mưa hoặc hết thời gian cài đặt, động cơ sẽ hoạt động, kéo hệ thống xích để thu gọn các khay sấy vào trong, bảo vệ sản phẩm một cách kịp thời và giảm công sức lao động.

4.3. Vai trò của tấm pin năng lượng mặt trời cho máy sấy bán tự động

Để hệ thống gập xếp hoạt động tự chủ mà không phụ thuộc vào điện lưới, một tấm pin năng lượng mặt trời cho máy sấy được tích hợp. Tấm pin này chuyển đổi quang năng thành điện năng, sạc cho một ắc quy dự phòng. Nguồn điện này sẽ cung cấp cho động cơ và bộ điều khiển. Đây là một giải pháp thông minh, giúp máy sấy bánh tráng bằng điện mặt trời hoạt động hoàn toàn bằng năng lượng sạch, phù hợp với những khu vực nông thôn chưa có lưới điện ổn định và khẳng định tính bền vững của toàn bộ hệ thống.

V. Bí quyết nâng cao chất lượng bánh tráng và tiết kiệm chi phí

Việc áp dụng hệ thống sấy bánh tráng năng lượng mặt trời không chỉ là một giải pháp công nghệ mà còn là bí quyết giúp các nông hộ nâng cao chất lượng bánh tráng và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế. Kết quả khảo nghiệm thực tế từ nghiên cứu được thực hiện tại Quảng Ngãi cho thấy những con số vô cùng thuyết phục. Hệ thống có khả năng nâng nhiệt độ trong bộ thu nhiệt lên trên 60°C, giúp giảm thời gian sấy so với phơi tự nhiên tới 2 giờ, tương đương giảm 50% thời gian. Điều này có nghĩa là các hộ sản xuất có thể tăng số mẻ sấy trong ngày, từ đó nâng cao năng suất lao động. Chất lượng sản phẩm cũng được cải thiện rõ rệt. Bánh được sấy trong môi trường kín, sạch sẽ, không bị bám bụi bẩn, giữ được màu sắc trắng ngà tự nhiên và hương vị đặc trưng. Độ khô của bánh đồng đều, đạt mức ẩm lý tưởng (11-14%) để bảo quản lâu dài mà không bị nấm mốc. Về mặt kinh tế, lợi ích lớn nhất là việc tiết kiệm chi phí sản xuất bánh tráng do không phải tiêu thụ điện hay than, củi. Chi phí đầu tư ban đầu có thể được thu hồi nhanh chóng nhờ vào việc giảm chi phí vận hành và tăng giá trị sản phẩm.

5.1. Kết quả thực nghiệm Rút ngắn thời gian sấy và tăng hiệu suất

Theo tài liệu nghiên cứu, khảo nghiệm trên mô hình cho thấy hiệu suất bộ thu nhiệt rất cao, giúp nhiệt độ không khí sấy luôn cao hơn nhiệt độ môi trường từ 20-30°C. Cụ thể, nhiệt độ trong buồng sấy có thể đạt trên 60°C. Nhờ đó, thời gian để một mẻ bánh tráng 25kg đạt độ ẩm bảo quản chỉ còn khoảng 3 giờ, trong khi phơi nắng tự nhiên mất từ 5-6 giờ. Việc rút ngắn đáng kể thời gian sấy giúp các hộ sản xuất chủ động hơn trong kế hoạch sản xuất, tăng vòng quay sản phẩm và đáp ứng các đơn hàng lớn một cách kịp thời.

5.2. Phân tích hiệu quả kinh tế Giảm chi phí sản xuất bánh tráng

Hiệu quả kinh tế là yếu tố then chốt khi áp dụng một công nghệ mới. Với lò sấy bánh tráng NLMT, chi phí vận hành gần như bằng không vì sử dụng nguồn năng lượng miễn phí từ mặt trời. So với sấy than hoặc sấy điện, hệ thống này giúp các hộ gia đình tiết kiệm một khoản chi phí nhiên liệu đáng kể hàng tháng. Thêm vào đó, hệ thống bán tự động giúp giảm chi phí nhân công theo dõi thời tiết và thu dọn sản phẩm. Sản phẩm bánh tráng sạch, chất lượng cao hơn cũng có giá bán tốt hơn trên thị trường, mang lại lợi nhuận cao hơn cho người sản xuất.

VI. Tương lai của giải pháp sấy khô cho nông hộ Việt Nam

Hệ thống sấy bánh tráng sử dụng năng lượng mặt trời là một minh chứng rõ ràng cho tiềm năng to lớn của năng lượng tái tạo trong việc hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn. Đây không chỉ là một giải pháp sấy khô cho nông hộ riêng lẻ mà còn mở ra một hướng phát triển bền vững cho toàn ngành chế biến nông sản. Mô hình này hoàn toàn có thể được nhân rộng và điều chỉnh để sấy các loại nông, hải sản khác như tỏi, ớt, cá, mực... góp phần đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao chuỗi giá trị. Tương lai của công nghệ sấy NLMT tại Việt Nam rất hứa hẹn, đặc biệt khi nhận thức về sản phẩm sạch và bảo vệ môi trường ngày càng được nâng cao. Việc nhà nước có những chính sách khuyến khích, hỗ trợ nông dân tiếp cận các công nghệ xanh sẽ là động lực quan trọng. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế, tích hợp các công nghệ thông minh hơn như IoT để điều khiển từ xa, và phát triển các mô hình có công suất lớn hơn cho các hợp tác xã. Sự phát triển của các máy sấy bánh tráng bằng điện mặt trời sẽ góp phần xây dựng một nền nông nghiệp hiện đại, hiệu quả và thân thiện với môi trường.

6.1. Tổng kết ưu điểm vượt trội của máy sấy bánh tráng năng lượng mặt trời

Hệ thống sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội: (1) Tiết kiệm chi phí vận hành tối đa do sử dụng 100% năng lượng mặt trời. (2) Đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm tuyệt đối nhờ quy trình sấy khép kín. (3) Nâng cao chất lượng bánh tráng với độ khô đồng đều, màu sắc đẹp. (4) Giúp sản xuất chủ động, không phụ thuộc vào thời tiết. (5) Giảm sức lao động nhờ cơ chế bán tự động. (6) Thân thiện với môi trường, góp phần vào sự phát triển bền vững. Những lợi ích này khẳng định đây là một giải pháp đầu tư hiệu quả cho các nông hộ.

6.2. Hướng phát triển các mô hình sấy nông sản bền vững trong tương lai

Trong tương lai, các mô hình sấy nông sản bằng NLMT có thể được cải tiến theo nhiều hướng. Thứ nhất, kết hợp với các nguồn năng lượng bổ trợ khác như sinh khối (trấu, mùn cưa) để có thể hoạt động liên tục cả vào ban đêm hoặc những ngày mưa kéo dài. Thứ hai, ứng dụng vật liệu mới có hiệu suất hấp thụ nhiệt và giữ nhiệt cao hơn để tăng hiệu quả sấy. Thứ ba, chuẩn hóa thiết kế để có thể sản xuất hàng loạt, giảm giá thành thiết bị và giúp nhiều nông hộ dễ dàng tiếp cận hơn. Việc phát triển công nghệ này sẽ là một bước đi chiến lược, giúp nông sản Việt Nam khẳng định vị thế trên thị trường quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ BỨC XẠ MẶT TRỜI Thực chất mặt trời là một lò phản ứng nhiệt hạch, xảy ra bởi sự kết hợp giữa nguyên tử hydro có 4 proton, tạo thành một nguyên tử "He" có số proton ít hơn. Do đó khi tạo thành nguyên tử He xảy ra hiện tượng hụt khối m, và giải phóng ra năng lượng theo định luật bảo toàn năng lượng của Einstein E=m. Trong đó, C là tốc độ ánh sáng.

Năng lượng này tạo ra nhiệt độ rất cao tới nhiều triệu độ. Ở trung tâm khoảng từ 8.106 0K rồi lan truyền qua lớp vỏ mặt ngoài của mặt trời, nhiệt độ trên bề mặt là 57620 k, sau đó phát xạ dưới dạng sóng và hạt lan truyền ra khắp không gian vào vũ trụ. Hình dáng mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150. Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.

Khoảng cách trung bình giữa mặt trời và trái đất là 1,5. Mặt trời tự quay quanh trục của nó với chu kỳ 28 ngày đêm, nhưng không giống như sự tự quay của vật rắn, chu kỳ quay của xích đạo mặt trời là 27 ngày đêm. Một số khái niệm * Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên trái đất bao gồm hai phần chính đó là trực xạ và tán xạ. - Phần trực xạ: Là phần bề mặt nhận được ánh sáng chiếu trực tiếp.

- Phần tán xạ: Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển. Các đại lượng này thay đổi khá nhiều. Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của ba thành phần. + Thành phần tán xạ đẳng hướng: Phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời.

+ Phần tán xạ quanh tia: Phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung quanh tia mặt trời. + Phần tán xạ chân trời là: Phần tán xạ tập trung gần đường chân trời PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 4 Hình 1. Các thành phần bức xạ lên mặt nghiêng * Cường độ bức xạ (CĐBX), En(W/m2): Là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Enđược lấy trị trung bình cả năm theo số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ cần xét.

Cường độ bức xạ tổng xạ bao gồm cường độ bức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp. * Năng lượng bức xạ (NLBX), (J/m2): Là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày). * Hằng số mặt trời (HSMT): HSMT được định nghĩa là CĐBX đo được trong không gian nằm ngoài lớp khí quyển bao quanh trái đất trong một đơn vị thời gian, trên một đơn vị diện tích bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ. Người ta đã xác định được HSMT có giá trị bằng Esn= 1.353W/m2, tương đương với 1940Cal/cm2/phút, hay 4.

Tuy nhiên, khi đến mặt đất, do bị hấp thụ và tán xạ nên cường độ bức xạ giảm đi đáng kể. Theo [8] cụ thể En= 500 - 1000 W/m2. Định nghĩa các góc tạo bởi chùm tia bức xạ với mặt phăng Hình 1. Mô tả vị trí tương đối của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang và mặt phẳng nghiêng PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 5 Trong đó: OZ - pháp tuyến của mặt phẳng ngang (p); OZ' - pháp tuyến của mặt phẳng nằm nghiêng (p); p - góc hợp bởi mặt phẳng nằm nghiêng và mặt phẳng nằm ngang; ϴT - góc tới của tia bức xạ trên mặt phẳng nghiêng; ϴZ- góc đỉnh, hợp bởi tia bức xạ và pháp tuyến của mặt phẳng nằm ngang; Y - góc phương vị mặt phẳng nghiêng, hợp bởi hình chiếu của pháp tuyến mặt phẳng nghiêng (OZ') trên mặt phẳng nằm ngang và phương chính Nam, dương khi mặt phẳng nghiêng hướng về phía Nam và âm khi mặt phẳng nghiêng về hướng Bắc; Ys - góc phương vị của mặt trời, hợp hình chiếu của tia tới trên mặt phẳng nằm ngang và phương chính Nam, dương khi mặt trời ở phía Đông, âm khi Mặt Trời ở phía Tây và bằng không khi mặt trời ở đỉnh đầu;  - góc độ cao mặt trời; ΔAz - hiệu của góc phương vị mặt trời và phương vị của mặt phẳngnghiêng; Ngoài ra ta còn phải định nghĩa thêm các góc có liên quan đến tọa độ của địa điểm đặt thiết bị trên mặt đất, và vị trí của mặt trời trên bầu trời tại thời điểm đang xét.

Ví dụ như: góc vĩ tuyến φ, góc kinh tuyến ϕvà góc giờ mặt trời ω. Góc giờ mặt trời ω là góc xác định vị trí của mặt trời trên bầu trời tại một thời điểm bất kỳ từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn. Người ta quy ước khi mặt trời ở đỉnh đầu (lúc 12 giờ trưa ) ω = 0. Vì Quả Đất quay xung quanh trục của nó một vòng 24 giờ, nên mỗi giờ nó quay được một góc là 150.

Bây giờ ta tìm hệ thức khi mặt trời cũng ở độ cao  nhưng tia bức xạ En chiếu trên mặt phẳng nghiêng với góc tớiϴ(hình 1.3), khi đó cường độ bức xạ Ebnghtrên mặt phẳng nghiêng sẽ là: Ebngh= Encosϴ (1. Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng a - Trên mặt phẳng nằm ngang ϴZ; b - Trên mặt phẳng nghiêng ϴ. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 6 Ta thấy khi có cùng một giá trị cường độ bức xạ gửi tới nhưng các giá trị nhận được trên các mặt phẳng nằm ngang và mặt phẳng nghiêng có sự khác nhau. Những yếu tố ảnh hưởng đến CĐBX nhận được trên mặt đất a.

Tỉ khối khí m: Tỷ khối khí m là tỉ số của quãng đường xuyên qua lớp khí quyển từ một điểm bất kỳ trên mặt đất nhìn thấy mặt trời so với quãng đường cũng xuyên qua lớp khí quyển theo phương xuyên tâm của trái đất. Như vậy, khi tia trực xạ tới từ đỉnh đầu thì giá trị của tỉ khối khí bằng đơn vị (m =1), và khi tia tới hợp với thiên đỉnh một góc ϴz = 600 thì m = 2; còn khi ϴz>600thì m > 3; khi góc tới ϴz> 600, nếu xét tới hiện tượng khúc xạ xuyên qua lớp khí quyển quanh mặt đất theo một đường cong thì m được tính bằng công thức: 1 m (1. Sự suy giảm cường độ BXMT khi xuyên qua lớp khí quyển Khi phân tích các số liệu BXMT phát ra từ bề mặt mặt trời ở bên ngoài lớp khí quyển trong nhiều năm người ta thấy cường độ BXMT thay đổi rất ít, khoảng 1%. Vì vậy, khi xét cho quá trình nhiệt dùng cho mục đích năng lượng, thì sự thay đổi này có thể bỏ qua.

Tuy nhiên, khi BXMT xuyên qua lớp khí quyển thì cường độ của chúng suy giảm đáng kể là do bị hấp thụ hơi nước hay do bị tán xạ khi gặp các phần tử khí như O2, O3, CO2, NO2., các hạt bụi bay lơ lửng trong không khí hay các phân tử khác, hoặc khi xuyên qua các đám mây. Ảnh hưởng bởi khoảng cách giữa mặt trời và trái đất Khoảng cách giữa mặt trời và trái đất có ảnh hưởng đến cường độ bức xạ mặt trời. Để xem ảnh hưởng của quả đất và mặt trời đến cường độ BXMT trên mặt đất, khi quả đất chuyển động trên quỷ đạo của nó trong chu kỳ một năm. Sự định hướng của trục quả đất cùng với sự chuyển động của nó xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng của nó, dẫn tới sự thay đổi khoảng cách giữa quả đất và mặt trời, và tức là thay đổi cường độ BXMT trên bề mặt quả đất hàng ngày, hàng tháng và hàng mùa trong năm.

Cường độ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào khoảng cách tương đối giữa mặt trời và điểm quan sát trên trái đất. Trong một ngày khoảng cách này sẽ giảm dần cho đến khi mặt trời lặn. Như vậy, cường độ bức xạ tương ứng sẽ tăng dần trong buổi sáng cho đến khi đạt giá trị lớn nhất Emaxvào giữa trưa sau đó giảm dần vào buổi chiều. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 7 1.Tương tác chùm tia bức xạ mặt trời với môi trường vật chất Giả sử một tia bức mặt trời có năng lượng E0 tác dụng lên một vật đặt trên bề mặt trái đất.

Khi tương tác với vật chùm tia bức xạ bị biến thành ba thành phần là: phản xạ, hấp thụ và truyền qua. Phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp này là: E0 = E r + E a + E t (1.3) Chia hai vế cho E0 : ER /E0 + Ea /E0 + E t/E0 = 1 Trong đó: E 0 - năng lượng bức xạ tới; Er - phần năng lượng bức xạ bị phản xạ từ bề mặt của vật; Ea - phần năng lượng bức xạ bị hấp thụ; Et - phần năng lượng bức xạ được truyền qua.4 Sơ đồ thể hiện khả năng xuyên qua tấm trong suốt của bức xạ mặt trời * Các tỷ số ở hai vế của phương trình được định nghĩa: Er/E0= p là hệ số phản xạ. Ea/E0= alà hệ số hấp thụ. Et/E0= tlà hệ số truyền qua.

Hay p + + t= 1 Nếu = t= 0 thì p = 1, ta có vật trắng tuyệt đối, phản xạ hoàn toàn. Nếu p = t= 0 thì = 1, ta có vật đen tuyệt đối, hấp thụ hoàn toàn, và nếu = p = 0 thì I =1, ta có vật trong suốt tuyệt đối. Trong thực tế không có trường hợp nào như vậy, mà mỗi vật khi tương tác với tia bức xạ mặt trời đều xảy ra hoặc cả ba khả năng trên, tuỳ theo từng chất liệu mà các khả năng đó có khác nhau. Giá trị của các hệ số này luôn nhỏ hơn 1 (p, , t< 1).

Vật mà các giá trị p, , tđều khác không được gọi là vật mờ. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.com to remove the waterma 8 Dựa trên các đặc tính đó của vật chất khi tương tác với bức xạ mặt trời người ta chế tạo các dạng thiết bị khác nhau để thu năng lượng mặt trời. Sử dụng khả năng phản xạ để chế tạo các thiết bị gương hội tụ; khả năng truyền qua của kính và hấp thụ của tấm để chế tạo bộ thu phẳng.