Chương I: Tổng quan về công nghệ sấy sử dụng NLMT trên thế giới cũng như ở Việt Nam; giới thiệu về ứng dụng công nghệ sấy sử dụng NLMT trong sấy gỗ. Chương này cũng trình bày chi tiết về kiến trúc, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò sấy sử dụng NLMT của dự án “Công nghệ sấy thế hệ mới sử dụng năng lượng mặt trời ứng dụng trong Nông - Lâm nghiệp tại Việt Nam”, là đối tượng nghiên cứu của đề tài luận văn. 9 Chương II: Trình bày phạm vi, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, các phương pháp phân tích sử dụng trong luận văn. Các nội dung nghiên cứu bao gồm: - Phân tích, giải mã cấu trúc lớp hấp thụ bức xạ năng lượng mặt trời; - Khảo sát nhiệt độ của lò sấy sử dụng NLMT theo thời tiết: Mùa nắng (hè, thu) và mùa ít nắng (đông, xuân) tại khu vực Hà Nội (Khu Phát triển công nghệ Cổ Nhuế); - Khả năng sấy (xả ẩm) của lò sấy sử dụng NLMT trong sấy gỗ keo xẻ; - Tính toán hiệu quả giảm phát thải CO2 (so sánh với dùng nhiên liệu than, điện…).
Chương III: Trình bày các kết quả thực nghiệm và lý giải, đánh giá kết quả đạt được. Phần Kết luận của luận văn trình bày những kết quả đã đạt được. TỔNG QUAN Mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng cho sự sống trên trái đất. Bức xạ 10 năng lượng mặt trời gây ra các chu kì và hoạt động tự nhiên trên Trái Đất như mưa, gió, dòng hải lưu, quang hợp và một số hiện tượng khác.
Từ xưa đến nay, con người đã tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên sẵn có này trong các hoạt động hàng ngày. Điển hình như trong lĩnh vực nông lâm nghiệp, phơi sấy là công đoạn quan trọng trong sơ chế, bảo quản sản phẩm sau thu hoạch. Đặc biệt ở các nước có khí hậu khắc nghiệt, nóng ẩm mưa nhiều, đây là điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn và nấm mốc phát triển, do đó các sản phẩm nông lâm nghiệp dễ bị hỏng nếu không được phơi, sơ chế. Vì thế, con người đã tận dụng ánh nắng mặt trời để phơi khô sản phẩm sau thu hoạch nhằm hạn chế hư hỏng cũng như bảo quản để sử dụng trong thời gian dài.
Về bản chất, sấy là một quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật sấy bằng nhiệt. Nhiệt cung cấp cho vật liệu ẩm bằng cách dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện trường có tần số cao. Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng của vật liệu, tăng độ liên kết bề mặt và bảo quản được tốt hơn. Trong quá trình sấy, nước được bay hơi ở nhiệt độ bất kì do sự khuếch tán bởi sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt vật sấy.
Đồng thời, bên trong vật sấy có sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật sấy và môi trường xung quanh. Hiện nay có hai phương pháp sấy sử dụng NLMT đang được áp dụng phổ biến đó là sấy trực tiếp và sấy gián tiếp. Sấy trực tiếp là phương pháp mà nguyên liệu sấy hấp thụ trực tiếp năng lượng bức xạ nhiệt ánh sáng mặt trời để làm bay hơi nước, giảm độ ẩm. Đây là cách thức sấy truyền thống lâu đời, tuy nhiên nó có nhược điểm là ánh sáng mặt trời trực tiếp gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng của sản phẩm cần sấy (tia cực tím trong bức xạ mặ trời gây nứt, cong vênh, giảm chất lượng, thay đổi màu sắc…), thời gian sấy lâu.
Sấy gián tiếp là phương pháp sử dụng nguồn năng lượng một cách gián tiếp bằng cách sử dụng vật liệu có hiệu suất hấp thụ bức xạ NLMT cao để chuyển thành nhiệt làm nóng không khí trong buồng sấy, kích thích quá trình bay hơi nước, giảm độ ẩm của nguyên liệu sấy. Không khí trong buồng sấy thường được lưu chuyển thông qua hệ thống quạt thổi làm cho nhiệt độ buồng sấy đồng đều, chất lượng sản phẩm sấy được tốt hơn. Phương pháp sấy gián tiếp phát triển mạnh từ giai đoạn nửa sau thế kỷ 20, song hành cùng với cuộc cách mạng về khoa học và công nghệ vật liệu. Tùy vào công nghệ bộ thu nhiệt, công nghệ điều khiển tuần hoàn gió mà có nhiều kiểu, loại lò sấy sử dụng năng lượng mặt trời khác nhau.
Công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới Trên thế giới, hiện có nhiều công ty cung cấp công nghệ lò sấy sử dụng NLMT công suất lớn đến từ các nước công nghiệp tiên tiến cũng như các nước có nền nông nghiệp phát triển, ví dụ: Hoa Kỳ, Ấn Độ, Úc, Braxin. Mỗi loại lò sấy này lại phân thành ba loại theo phương thức hấp thụ năng lượng mặt trời đó là: loại có tấm hấp thụ là bộ phận không tách rời của lò sấy (sấy sử dụng hiệu ứng nhà kính); loại có tấm hấp thụ nhiệt là bộ phận ngoài lò sấy, đối với loại này không khí nóng do hấp thụ hoặc nhận nhiệt sẽ được phân phối vào lò sấy nhờ quạt hoặc ống khói; loại thứ ba là hỗn hợp của hai loại trên, vừa hấp thụ năng lượng trực tiếp thông qua mái, thành lò vừa hấp thụ gián tiếp thông qua bộ phận hấp thụ ngoài lò. Trong đó buồng sấy có cấu trúc bằng khung gỗ với dung tích ~ 10 m3 gỗ xẻ, diện tích bề mặt hấp thụ ~ 72 m2 với độ dốc mái ~ 10o. Plumptre (1979) đã nghiên cứu sấy gỗ sồi có chiều dày 50 - 75 mm bằng lò sấy năng lượng mặt trời và chỉ ra rằng mặc dù thời gian sấy lâu hơn 2,5 lần so với lò sấy hơi nước cưỡng bức nhưng chất lượng gỗ sau khi sấy tốt hơn nhiều.
Gỗ không hoặc rất ít bị nứt bề mặt, nứt đầu và móp méo [2]. Steinman (1989) đã thành công trong việc sấy có kiểm soát sử dụng lò sấy năng lượng mặt trời. Tác giả công bố rằng chỉ có độ ẩm cân bằng cần được kiểm soát trong lò sấy năng lượng mặt trời và cần điều chỉnh để đạt được hiệu suất sấy tối ưu. Trong nghiên cứu, tác giả sử dụng cửa thông gió và hơi nước để kiểm soát độ ẩm môi trường [3].
Tschernizt và Simpson (1979) đã nghiên cứu sử dụng lò sấy năng lượng mặt trời để sấy gỗ sồi đỏ, chiều dày 29 mm tại Madison (Mỹ). Từ độ ẩm ban đầu ~ 84%, độ ẩm sau sấy chỉ còn ~ 9% với thời gian sấy 54 ngày (giảm 3,5 lần so với phương pháp hong phơi tự nhiên nhưng lâu hơn gấp 2 lần so với sấy bằng phương pháp cưỡng bức) [4].M (1979) đã nghiên cứu sấy gỗ thông tươi kích thước 102 x 51 mm bằng lò sấy năng lượng mặt trời tại Canada. Độ ẩm của gỗ tươi ban đầu giảm xuống ~ 10 % sau thời gian sấy 30 ngày vào mùa hè và 140 ngày vào mùa đông. Khi độ ẩm của gỗ ban đầu là 60% thì cần 12 ngày sấy (vào mùa hè) và 100 ngày (vào mùa đông) để đạt được gỗ sau sấy với độ ẩm ~ 20%.
Trong khi đó, cùng loại 12 gỗ và kích thước ván xẻ, sấy bằng phương pháp hong phơi tự nhiên mất 240 đến 243 ngày và chất lượng gỗ kém hơn rất nhiều [5]. Trong thiết kế lò sấy của tác giả, vị trí và hoạt động của cửa thoát khí là rất quan trọng. Nếu lượng khí ẩm thoát ra quá nhiều đồng nghĩa với việc hơi nóng cũng bị thất thoát, sẽ dẫn tới nhiệt độ sấy giảm. Việc mở cửa thoát khí chỉ được thực hiện khi độ ẩm gỗ cao hơn điểm bão hoà của thớ gỗ và lượng mở nhiều hay ít tuỳ theo đặc điểm an toàn của loại gỗ, từ đó khống chế việc giảm ẩm nhanh hay chậm [6].
Để nâng cao hiệu suất hấp thụ bức xạ năng lượng mặt trời, ngoài việc lựa chọn vật liệu hấp thụ nhiệt, các nghiên cứu thường tập trung vào hướng và kiểu cách tạo mái hấp thụ năng lượng. Nếu lò sấy có một mái hấp thụ năng lượng thì mái sẽ quay mặt về hướng nam để có thể đón được ánh sáng mặt trời cả sáng lẫn chiều. Ngược lại, nếu lò sấy có hai mái, tuỳ thuộc vào kết cấu hầm sấy, hầm sấy đơn (1 hầm sấy có 2 mái) thì nóc nhà sấy được đặt theo hướng Bắc - Nam, hầm sấy đôi (1 lò sấy được ngăn đôi thành 2 hầm, mỗi hầm chứa 1 mái) thì nóc nhà sấy được đặt theo hướng Đông - Tây để 2 bên hầm sấy đều được hấp thụ nhiệt từ mặt trời như nhau. Để tăng hiệu suất thu hồi nhiệt từ ánh sáng mặt trời, ở những nước nằm phía Bắc đường xích đạo như Mỹ, Việt Nam… các lò sấy được thiết kế thay tường lò sấy phía nam, thậm chí cả tường phía đông và tây bằng tấm hấp thụ năng lượng mặt trời, ngược lại, những nước phía nam đường xích đạo như Nam Mỹ, Úc… tường phía Bắc, phía đông và phía tây sẽ được thay bằng tấm hấp thụ.
Trên thế giới, hiện có nhiều công ty cung cấp lò sấy sử dụng năng lượng mặt trời công suất lớn đến từ các nước công nghiệp tiên tiến cũng như các nước có nền nông nghiệp phát triển, ví dụ: Hoa Kỳ, Ấn Độ, Úc, Braxin. Tại Ấn Độ, Công ty Rudra, Craftwork Solar, Radha…chuyên cung cấp các lò sấy sử dụng năng lượng mặt trời để sấy rau quả, thực phẩm cũng như sấy gỗ. 1 minh họa một số nhà sấy sử dụng năng lượng mặt trời ứng dụng rộng rãi ở Ấn Độ [7- 9]. 1 Một số nhà sấy sử dụng năng lượng mặt trời tiêu biểu ở Ấn Độ.
Đối với hệ thống sấy dùng phương pháp nhà kính (Hình 1.1a, c), ưu điểm của hệ thống này là khả năng sấy dung tích lớn, ngăn chặn được tia UV tác động trực tiếp lên sản phẩm cần sấy. Tuy nhiên, phương pháp sấy này sử dụng công nghệ đơn giản, không có điều khiển tự động hóa. Trong khi đó, lò sấy của Craftwork Solar sử dụng phương pháp bộ thu nhiệt và dùng nước, không khí làm tác nhân vận chuyển nhiệt về buồng sấy. Điều này cho phép điều khiển được nhiệt độ, độ ẩm trong buồng sấy tương đối tối.
Tuy nhiên hệ thống có kết cấu cồng kềnh, vận chuyển phức tạp, dung tích sấy không lớn. 2 Nhà sấy sử dụng năng lượng mặt trời ở Úc. Công ty Solar Dryers Australa Pty Ltd (SDA) [10] cung cấp các hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời. Hệ thống sấy của SDA có các bộ thu nhiệt, dùng để làm nóng nước trước khi đưa vào buồng sấy.
Không khí nóng lưu thông qua gỗ theo cách tương tự như lò thông thường bằng quạt áp lực. Hệ thống này có thể tiết kiệm được tới 80% chi phí sấy so với lò sấy thông thường.