CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ỐNG NHIỆT - Ống nhiệt là một dạng thiết bị trao đổi nhiệt, nguyên tắc làm việc là sự kết hợp giữa quá trình dẫn nhiệt của kim loại và trao đổi nhiệt đối lưu khi bay hơi và ngưng tụ của môi chất. Do đó, ống nhiệt có “hệ số dẫn nhiệt” lớn hơn nhiều lần so với các thanh kim loại cùng kích thước. 500 450 400 Chênh lệch nhiệt độ (oC) 350 300 250 Thanh nhôm Thanh đồng 200 Ống Nhiệt 150 100 50 0 Hình 1.1 : Chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu ống nhiệt so với các thanh kim loại có cùng kích thước khi cùng truyền dẫn một giá trị nhiệt lượng [1] - Tùy vào mục đích sử dụng, cấu tạo, phạm vi áp dụng…mà có nhiều dạng ống nhiệt khác nhau. Tuy nhiên, hai dạng ống nhiệt được nghiên cứu đầu tiên và ứng dụng nhiều nhất là ống nhiệt trọng trường và ống nhiệt mao dẫn.
HỌC VIÊN: HUỲNH PHƯỚC HIỂN 1 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ỐNG NHIỆT GVHD 1: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP MẶT TRỜI LOẠI TRỌNG TRƯỜNG ĐỂ CẤP NƯỚC NÓNG GVHD 2: TS. HOÀNG AN QUỐC Hình 1.2: Ống nhiệt trọng trường (hình trái) và ống nhiệt mao dẫn [2] - Nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của ống nhiệt trọng trường: + Ống nhiệt trọng trường là ống kim loại hàn kín hai đầu, bề mặt bên trong nhẵn hoặc có các rãnh nhỏ. Bên trong ống nhiệt có chứa một lượng môi chất nhất định. Ống nhiệt trọng trường gồm có ba phần: - Phần bay hơi: nhận nhiệt từ nguồn nóng và làm bay hơi môi chất bên trong ống nhiệt.
- Phần đoạn nhiệt: hơi ra khỏi phần bay hơi chuyển động qua phần đoạn nhiệt để đến phần ngưng tụ. - Phần ngưng: nhiệt lượng ống nhiệt nhận được từ nguồn nóng sẽ được truyền cho nguồn lạnh thông qua quá trình ngưng tụ dòng hơi chuyển động từ phần bay hơi lên. Đối với ống nhiệt trọng trường, phần ngưng luôn cao hơn phần bay hơi nên lỏng sau khi ngưng sẽ tự quay trở về phần bay hơi dưới tác dụng của trọng lực. - Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của ống nhiệt mao dẫn: + Ống nhiệt trọng trường chỉ hoạt động được khi phần bay hơi đặt thấp hơn phần ngưng tụ.
Vì vậy, trong các trường hợp đặc biệt (môi trường không trọng lực, vị trí nguồn nóng cao hơn nguồn lạnh), ống nhiệt mao dẫn sẽ được sử dụng. Cấu tạo của ống nhiệt mao dẫn cũng tương tự như ống nhiệt trọng trường. Tuy nhiên, bên trong ống nhiệt mao dẫn còn bố trí thêm một lớp bấc kim loại hoặc sẽ rãnh cực nhỏ có tác dụng tạo ra lực mao dẫn đưa lỏng từ phần ngưng về phần bay hơi. HỌC VIÊN: HUỲNH PHƯỚC HIỂN 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ỐNG NHIỆT GVHD 1: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP MẶT TRỜI LOẠI TRỌNG TRƯỜNG ĐỂ CẤP NƯỚC NÓNG GVHD 2: TS.
HOÀNG AN QUỐC - Ngoài ra, còn có một số dạng ống nhiệt đặc biệt khác như: + Ống nhiệt ly tâm (Rotating heat pipe): lỏng ngưng được đưa về phần bay hơi bằng lực ly tâm, được sử dụng để giải nhiệt trong các chi tiết chuyển động quay. + Ống nhiệt nhỏ và siêu nhỏ (Miniature and micro heat pipe): giải nhiệt cho các thiết bị điện tử. + Chu trình ống nhiệt (Loop heat pipe) và chu trình bơm mao dẫn (Capillary loop heat pipe). + Ống nhiệt thẩm thấu: sử dụng lực thẩm thấu đưa lỏng để hồi lỏng từ phần ngưng về phần bay hơi.
- Tuy ống nhiệt là thiết bị truyền nhiệt có hiệu quả cao, nhưng khi tính toán thiết kế ống nhiệt, cần chú ý các giá trị giơi hạn công suất hoạt động của ống nhiệt như sau: + Giới hạn ma sát (Viscous limit) + Giới hạn âm thanh (Sonic limit) + Giới hạn lôi cuốn (Entrainment limit) + Giới hạn sôi (Boiling limit / Burnout limit) + Giới hạn mao dẫn (Capillary limit): chỉ xuất hiện trong ống nhiệt mao dẫn. - Trong các loại giới hạn trên, giới hạn ma sát, âm thanh, lôi cuốn sẽ hạn chế mật độ dòng nhiệt của ống nhiệt theo phương dọc trục, còn giới hạn sôi hạn chế giá trị của mật độ dòng nhiệt theo phương hướng kính của ống nhiệt [1].2 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NLMT TRÊN THẾ GIỚI - Hiện nay, do chất lượng cuộc sống tăng cao, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn. Song song đó con người phải đang đối mặt với các vấn đề môi trường, biến đổi khí hậu và cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch. Với đặc điểm là nguồn năng lượng có trữ lượng lớn, sạch, thân thiện với môi trường, NLMT và các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) khác như (năng lượng gió, thủy triều, địa nhiệt…) là các giải pháp phù hợp để giải quyết các mâu thuẫn trên.
Kết quả thống kê từ 55 quốc gia (có dân số 4,2 tỷ người, chiếm 61% dân số thế giới) cho thấy hiện trạng sử dụng NLMT trên thế giới trong các ứng dụng khác nhau như sau HỌC VIÊN: HUỲNH PHƯỚC HIỂN 3 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ỐNG NHIỆT GVHD 1: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP MẶT TRỜI LOẠI TRỌNG TRƯỜNG ĐỂ CẤP NƯỚC NÓNG GVHD 2: TS. HOÀNG AN QUỐC - Sử dụng NLMT để cấp nhiệt: + Thống kê cho thấy đến hết năm 2010, tổng công suất thiết bị khai thác nhiệt năng từ NLMT vào khoảng 195,8 GW (tương đương 279,7 triệu m2 diện tích collector). Trong đó, công suất lắp đặt mới là 42,2 GW (tăng thêm khoảng 13,9% so với năm 2009). Các hệ thống làm nóng nước sử dụng trong gia đình chiếm khoảng 85% công suất lắp đặt, 10% là các hệ thống cấp nước nóng cho các công trình lớn như: nhà hàng, khách sạn, bệnh viện.
Còn lại là các hệ thống cấp nhiệt cho các mục đích sử dụng khác như: sưởi, làm lạnh, chưng cất nước và phục vụ các nhu cầu trong công nghiệp… Trung Quốc và Châu Âu là các khu vực có công suất lắp đặt và lắp đặt mới (trong năm 2010) lớn nhất trên thế giới.3: Biểu đồ thể hiện công suất các thiết bị khai thác nhiệt năng từ NLMT tại các quốc gia trên thế giới [3] Hình 1.4: Biểu đồ thể hiện tỷ lệ lắp đặt mới các thiết bị khai thác nhiệt năng từ NLMT tại các quốc gia trên thế giới [3] HỌC VIÊN: HUỲNH PHƯỚC HIỂN 4 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ỐNG NHIỆT GVHD 1: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP MẶT TRỜI LOẠI TRỌNG TRƯỜNG ĐỂ CẤP NƯỚC NÓNG GVHD 2: TS. HOÀNG AN QUỐC Hình 1.5: Tỷ lệ sử dụng nhiệt năng từ NLMT theo mục đích sử dụng tại một số quốc gia và thế giới [3] + Thống kê cho thấy: 56,6% tổng số collector được sử dụng là collector ống thủy tinh chân không, collector loại tấm phẳng có sử dụng tấm phủ chiếm 31,7%, loại không tấm phủ và làm nóng nước 11%, còn lại 0,7% là loại collector không tấm phủ và gia nhiệt cho không khí. Hơn 75% các hệ thống lắp đặt sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên để làm nóng lưu chất bên trong.6: Biểu đồ thể hiện tỷ lệ các loại collector được sử dụng [3] + Với công suất khai thác nhiệt năng từ NLMT như trên, thế giới giảm được việc sử dụng 17,3 triệu tấn dầu và lượng phát thải khí CO2 khoảng 53,1 triệu tấn hàng năm [3] HỌC VIÊN: HUỲNH PHƯỚC HIỂN 5 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ỐNG NHIỆT GVHD 1: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP MẶT TRỜI LOẠI TRỌNG TRƯỜNG ĐỂ CẤP NƯỚC NÓNG GVHD 2: TS. HOÀNG AN QUỐC - Sử dụng NLMT để sinh công cơ học: + Trong trường hợp này, collector MT loại tập trung (concentrating solar thermal power) được áp dụng để tạo các nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, thích hợp các quá trình chuyển đổi từ nhiệt năng sang cơ năng.
+ Thị trường collector loại tập trung tiếp tục tăng ổn định trong năm 2011. Trong năm 2011, số lượng collector loại tập trung được lắp đặt ước lượng khoảng 450 MW, nâng tổng công suất sử dụng collector loại này đạt 1760 MW. + Collector loại máng parabolic là loại collector chiếm phần lớn trong các hệ thống lắp đặt mới (90%) và hầu hết các hệ thống đang hoạt động + Tây Ban Nha là quốc gia có công suất lắp đặt collector dạng tập trung đứng đầu thế giới với tổng công suất khoảng 1150 MW (trong đó công suất lắp mới trong năm 2011 là 420 MW).7: Công suất phát của các hệ thống sử dụng collector loại tập trung trên thế giới từ năm 1984 đến hết năm 2011 [4] - Sử dụng NLMT để phát điện + Sử dụng NLMT để phát điện cũng là một trong những xu hướng trong việc sử dụng nguồn năng lượng mới thay thế cho những nguồn năng lượng truyền thống. Đặc biệt trong những năm gần đây, yếu tố giảm giá thành sản xuất của pin MT và tăng hiệu quả của thiết bị chuyển đổi công suất đã góp phần tăng tính cạnh tranh của pin MT so với việc sử dụng collector tập trung để sinh công.
HỌC VIÊN: HUỲNH PHƯỚC HIỂN 6 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ỐNG NHIỆT GVHD 1: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP MẶT TRỜI LOẠI TRỌNG TRƯỜNG ĐỂ CẤP NƯỚC NÓNG GVHD 2: TS. HOÀNG AN QUỐC + Tính trong năm 2011, trên toàn thế giới, các hệ thống lắp đặt mới và đưa vào vận hành đạt khoảng 30 GW (tăng khoảng 74%), nâng công suất phát điện từ pin MT 70 GW. + Châu Âu là khu vực có công suất lắp đặt các hệ thông pin MT và đưa vào nối lưới lớn nhất trên thế giới. Trong năm 2011, khoảng 17 GW pin MT đã được lắp đặt và khoảng 22GW được nối lưới (chiếm khoảng 73% công suất nối lưới trên toàn thế giới) Hình 1.8: Công suất phát của hệ thống pin MT trên thế giới từ năm 1995 đến 2011 [4] - Các số liệu trên cho thấy, hiện tại đóng góp của NLMT vào lượng năng lượng sơ cấp con người sử dụng còn thấp (gần 3%), nhưng với tốc độ phát triển trong các năm gần đây, cho thấy con người đã và đang quan tâm hơn đến việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này.
Tùy vào đặc điểm kinh tế, kỹ thuật, địa lý… mà hướng sử dụng NLMT tại các khu vực trên thế giới cũng khác nhau. Nếu như các quốc gia phương Tây sử dụng NLMT trong việc sinh công cơ học và phát điện, thì tại khu vực châu Á, sử dụng NLMT để cấp nhiệt (chủ yếu là cấp nước nóng) đang là hướng được chú ý tập trung phát triển.2 TIỀM NĂNG VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NLMT TẠI VIỆT NAM - Việt Nam được đánh giá là một trong số các quốc gia có tiền năng khá về NLMT. Tại miền Bắc, mỗi năm có được từ 1800 đến 2100 giờ nắng (BXMT trung bình nhận được trong ngày khoảng 3,93kWh/m2).
