ĐẶT VẤN ĐỀ “Bài toán về năng lượng” hiện nay đang là vấn đề được cả Thế Giới quan tâm, khi mà nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng trong khi đó các nguồn năng lượng dự trữ lại có hạn. Bên cạnh vấn đề về năng lượng, nhân loại cũng đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính. Đây cũng là mặt trái của sự phát triển của nền kinh tế và là hậu quả của việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng. Theo dự đoán của các nhà khoa học, đến năm 2100 nhiệt độ trung bình của trái đất có thể tăng từ 1,4 đến 5,6 0C, vì thế mực nước biển có thể tăng từ 0,09 đến 0,88 mm.
Đó là chưa kể sự gia tăng của vấn đề ô nhiễm môi trường, các trận mưa axit làm ảnh hưởng trực tiếp tới đời sống, sức khỏe của con người… Để giải quyết vấn đề trên, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới (năng lượng sạch – năng lượng tái tạo) như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và đặc biệt là năng lượng mặt trời… là hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng. Nhất là sau năm 1970 - những năm khủng hoảng dầu lửa, công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo đã đạt nhiều tiến bộ đáng kể. Hiện tại, các nguồn năng lượng này chưa làm thay đổi cơ bản cơ cấu cân bằng năng lượng của thế giới, nhưng trong tương lai cơ cấu này chắc chắn sẽ thay đổi khi vấn đề công nghệ và giá thành năng lượng tái tạo được giải quyết. Tổng sản lượng điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo tăng với tỷ lệ 2,9% mỗi năm, và tỷ trọng năng lượng tái tạo chiếm trong tổng sản lượng điện thế giới được dự báo tăng từ 19% năm 2006 lên 21% năm 2030.
Theo giới phân tích, nhu cầu thế giới về năng lượng mặt trời, gió và các dạng năng lượng tái tạo khác sẽ tăng mạnh vào giữa thế kỷ này, do lo ngại ngày một tăng về tình trạng Trái đất nóng lên. Năng lượng tái tạo được dự đoán sẽ có bước nhảy vọt và đến tầm 2050 sẽ bắt đầu thách thức sự thống trị hiện nay của các loại nhiên liệu hoá thạch. Khái niệm sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để chạy máy lạnh đã xuất hiện hơn 45 năm về trước. Bên cạnh các máy lạnh truyền thống được cấp nguồn bởi pin quang điện, sự quan tâm về những hệ thống hấp phụ, hấp thụ ngày càng được gia tăng.
Năng lượng mặt trời được xem là một dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch và miễn phí đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng NLMT và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự. Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết. Ứng dụng NLMT để làm lạnh và điều hoà không khí ngày càng chứng tỏ sự cấp thiết và khả thi trong điều kiện khí hậu Việt Nam vì có sự đồng biến giữa NLMT và nhu cầu sử dụng lạnh, Việt Nam cũng được đánh giá là khu vực có nhiều tiềm năng về NLMT.
Ứng dụng NLMT để làm lạnh không là chỉ là vấn đề tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Bên cạnh đó, những ảnh hưởng đến hệ sinh thái phá hủy tầng ozon, hiệu ứng nhà kính có liên quan đến việc sử dụng các môi chất lạnh CFC và HCFC đã góp phần gây ra những biến đổi khí hậu đáng quan tâm lo ngại. Hiện nay, vấn đề lựa chọn, thay thế môi chất lạnh sao cho HVTH: Quảng Thị Cẩm Thì Trang 6 GVHD 1: TS. Hoàng An Quốc Luận Văn Thạc Sĩ GVHD 2: GS – TS Lê Chí Hiệp vừa đem lại hiệu quả vừa bảo vệ môi trường sinh thái cũng đang là vấn đề cấp bách không những ở Việt Nam mà trên toàn Thế Giới.
Một trong những môi chất lạnh đảm bảo được các yếu tố cấp bách trên đó chính là Amoniac (NH3). Theo các chuyên gia, Amoniac tiếp tục sẽ là môi chất lạnh được sử dụng rộng rãi trong tương lai nếu giải quyết tốt các yếu tố về vấn đề an toàn. Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất ngày càng hướng sự chú ý của mình vào một số chất tác nhân lạnh có nguồn gốc thiên nhiên như nước chẳng hạn. Do các yếu tố đã phân tích ở trên, rõ ràng việc xây dựng và nhân rộng một hệ thống lạnh vừa tiết kiệm năng lượng vừa đảm bảo được môi trường sinh thái mà hiệu quả làm lạnh cao thật sự là vấn đề cấp thiết.
Chính vì lý do đó mà tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite – nước”. Thành phố Hồ Chí Minh là khu vực được đánh giá có tiềm năng NLMT tương đối lớn. Cụ thể, cường độ bức xạ trung bình ở miền Nam nói chung và ở thành phố Hồ Chí Minh nói riêng xấp xỉ 5 kWh/m2.ngày và hầu như ổn định quanh năm, dao động từ 4,0 đến 5,9 kWh/m2. Ngoài ra, cặp môi chất sử dụng hấp phụ là Zeolite và Nước rất phổ biến, có giá thành vừa phải nên rất thuận lợi khi tác giả thực hiện đề tài.2 MỤC TIÊU VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Qua đề tài “Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite – nước”, tác giả có thể đánh giá khả năng ứng dụng được cũng như hiệu quả làm việc của kiểu máy lạnh hấp phụ Zeolite – Nước sử dụng NLMT ở nước ta.
Và nếu nghiên cứu này thành công sẽ là một ứng dụng hiệu quả trong ngành lạnh, giải quyết được các vấn đề về năng lượng và môi trường. Không những thế kết quả này hoàn toàn có thể nhân rộng trên phạm vi cả nước. Ngoài ra, mô hình này cũng có thể sử dụng như một mô hình thí nghiệm cho sinh viên ngành công nghệ nhiệt lạnh tại các trường, giúp sinh viên hiểu sâu hơn về kiểu máy lạnh hấp phụ cũng như nâng cao ý thức tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường cho các thế hệ sinh viên.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là kiểu máy lạnh hấp phụ dùng năng lượng mặt trời với cặp chất hấp phụ là Zeolite – Nước. Nghiên cứu này được thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh vào khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 11 năm 2012.
HVTH: Quảng Thị Cẩm Thì Trang 7 GVHD 1: TS. Hoàng An Quốc Luận Văn Thạc Sĩ GVHD 2: GS – TS Lê Chí Hiệp 1.2 Phương pháp nghiên cứu Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đi theo qui trình nghiên cứu như sơ đồ bên dưới: Để thực hiện đề tài, đầu tiên tác giả tìm kiếm thông tin, phân tích tài liệu có liên quan, sau đó tính toán sơ bộ để thiết kế chế tạo một mô hình thí nghiệm máy lạnh hấp phụ Zeolite – Nước sử dụng NLMT. HVTH: Quảng Thị Cẩm Thì Trang 8 GVHD 1: TS. Hoàng An Quốc Luận Văn Thạc Sĩ GVHD 2: GS – TS Lê Chí Hiệp CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH HẤP PHỤ MẶT TRỜI 2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT LẠNH 2.1 Năng lượng mặt trời Khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời là 149,6 triệu km.
Khoảng cách đó cùng với sự tự quay đã làm cho Trái Đất nhận được từ Mặt Trời một lượng bức xạ phù hợp, tạo điều kiện cho sự sống trên Trái Đất tồn tại và phát triển. Phần lớn năng lượng mặt trời bị phân tán vào vũ trụ, chỉ một phần rất nhỏ của nó đến được trái đất, nhưng "lượng nhỏ" đó cũng đã rất lớn. Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi theo vĩ độ, mùa, giờ trong ngày và độ mây che phủ. Cường độ bức xạ có tính chất gần giống với các tia bức xạ phát ra từ vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ gần 6000 K.
Trong đó, bao gồm các vùng tia cực tím (Ultra-violet), vùng các tia bức xạ nhìn thấy được và vùng các tia hồng ngoại (Infra-red). Khi đi vào bầu khí quyển, bức xạ mặt trời sẽ bị: - Tán xạ chủ yếu bởi các phân tử không khí, hơi nước, hạt nước, hạt bụi,… Kết quả: có khoảng 6% số tia bức xạ bị dội ngược ra ngoài không gian, 20% số tia đến bề mặt trái đất như các tia khuếch tán. - Hấp thụ bởi các phân tử ozone (ở độ cao trên 40km, khoảng 3% các tia bức xạ đến từ Mặt trời, chủ yếu trong vùng tia cực tím) Các tia cực tím <0,29m: bị hấp thụ mạnh. Các tia có >0,29m: khả năng hấp thụ giảm xuống đáng kể.
Khi >0,35m: không còn khả năng hấp thụ. - Hấp thụ bởi hơi nước (ở độ cao thấp hơn, khoảng 14% các tia bức xạ đến từ Mặt trời, chủ yếu trong vùng lân cận tia hồng ngoại, đặc biệt ở trong vùng lân cận các bước sóng 1m, 1,4m và 1,8m). - Khả năng hấp thụ các tia bức xạ bởi mây, CO2 và oxygen rất nhỏ. HVTH: Quảng Thị Cẩm Thì Trang 9 GVHD 1: TS.
Hoàng An Quốc Luận Văn Thạc Sĩ GVHD 2: GS – TS Lê Chí Hiệp Hình 2.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất Kết quả rất ít các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 0,23m có thể đến được bề mặt Trái đất. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2. Mặc dù toàn bộ năng lượng chạm đến bầu khí quyển Trái Đất xuất phát từ Mặt Trời là rất lớn, nhưng nó không có mức độ tập trung cao. Vì vậy, bất cứ phương tiện nào bắt lấy năng lượng Mặt Trời cũng phải chiếm một diện tích tương đối lớn để làm tập trung có hiệu quả phần năng lượng cần thiết.
Chỉ trong vài thập niên gần đây, loài người mới bắt đầu tìm kiếm cơ chế khai thác tiềm năng khổng lồ của năng lượng Mặt Trời. Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì sự phân bố cường độ bức xạ mặt trời ở Bắc bán cầu có đặc điểm như sau: + Từ 0 – 15N: Cường độ bức xạ mặt trời trung bình. Do đây là khu vực có nhiều mây và độ ẩm cao, có thể có khoảng 2500 giờ nắng/năm, thành phần tia trực xạ giảm bớt, cường độ bức xạ không biến đổi trong nhiều năm.
