Chưng cất nước biển thành nước ngọt

Chương 1 Tổng quan về chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời 1.1 nhu cầu về nước ngọt Nước là nhu cầu số một và cũng là chìa khoá của sự sống và mưu sinh của con người . Cơ thể của chúng ta chứa 75% nước, nhưng cũng rất dễ mất nước qua hệ bài tiết, cho nên phải kịp thời bổ sung lượng nước đã mất, nếu không cơ thể sẽ suy kiệt nước và nguy hiểm đến tính mạng. Người ta có thể nhịn đói hàng tuần nhưng không thể nhịn khát vài ngày… Liên hiệp quốc đã ước tính hiện có hơn 200 triệu dân trên thế giới không được cung cấp nước sinh hoạt đều đặn, an toàn và đủ để đảm bảo cuộc sống cho họ. Không chỉ quan trọng với những người dân thiếu nước sinh hoạt, mà còn có những hoạt động khác cũng rất cần nguồn nước ngọt, khi tàu bè đánh bắt xa bờ thì nguồn nước ngọt dự trữ mang đi sẽ quyết định thời gian trên biển, khi cần di chuyển để tìm đường thoát thân, chúng ta càng phải biết dè sén nước uống, dù khát đến đâu thì cũng chỉ nên nhấp từng ngụm nhỏ cho đỡ khát mà thôi không nên tu ừng ực, vì trước mắt chưa chắc ta đã có đủ nước dùng, nhất là trong thời gian dài mà lượng nước lại hiếm. Hơn nữa, khi đang mệt, uống nước nhiều sẽ lả người, có thể dẫn đến ngất xỉu. Tuy nhiên, trên trái đất, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế. Theo khảo sát của các tổ chức quốc tế, 97,5% nước trên trái đất là nước biển và không hơn 2,5% là nước ngọt. Ngoài ra, phần lớn nước ngọt được dự trữ trong các sông băng, tảng băng và dưới lòng đất. Nước mà con người có thể sử dụng dễ dàng chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0,01% tổng lượng nước ngọt. Trong khi đó, dân số toàn cầu tăng tới sáu tỷ người vào năm 2000 và sẽ đạt tám tỷ vào năm 2025. 3,5 tỷ người trong số này chắc chắn sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nước. Đã có nhiều nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại Trung Đông (Israel, Arập xê út), Địa Trung Hải (Matla), châu Mỹ, Nam Âu, Caribe, Nhật Bản, quần đảo Channel, đảo Tenerife và Gran Canaria – nơi nguồn nước tự nhiên rất khan hiếm do lượng nước mưa thấp. Israel và Arập xê út phải phụ thuộc nhiều vào những nhà máy như vậy để cấp nước cho người dân trong khi các bang Florida và California của Mỹ cũng bắt đầu xây dựng nhà máy lọc nước biển. Trong những thập kỷ 1960 – 1970, câu trả lời cho tình trạng thiếu nước là xây dựng nhiều hồ chứa hơn. Tuy nhiên, giá nước gia tăng đã làm cho các công ty thương mại không thể lựa chọn giải pháp này. Khử muối trong nước biển là một giải pháp tương đối mới. Nó bắt nguồn từ Trung Đông vào những năm 1980 và 1990. Trong tổng số 7.500 nhà máy khử muối đang hoạt động trên toàn thế giới, 60% nằm tại Trung Đông với tổng công suất 16 tỷ lít mỗi ngày. Nhà máy lọc nước biển lớn nhất thế giới ở Arập xê út sản xuất 128 triệu galon mỗi ngày (tương đương với 581 triệu lít). Arập xê út là nước sản xuất nước ngọt từ nước biển lớn nhất thế giới, đáp ứng 70% nhu cầu nước uống hiện nay của đất nước cũng như cung cấp cho các trung tâm đô thị và công nghiệp thông qua mạng lưới đường ống dài 3.700 km. Nhiều nhà máy mới đang được triển khai và sẽ đưa tổng số nhà biến nước biển thành nước ngọt lên con số 30. Trong khi đó, 12% nước được khử muối của thế giới được sản xuất ở châu Mỹ với phần lớn nhà mày nằm ở Florida và California. Cho tới nay, mới chỉ có một vài nhà máy được xây dựng dọc bờ biển California. Nguyên nhân là do chi phí khử muối thường cao hơn chi phí khai thác các nguồn nước ngọt tự nhiên, chẳng hạn như nước ngầm hoặc dẫn nước từ các khu vực cách xa hàng trăm kilômét. Mỹ có 1.500 nhà máy khử muối khỏi nước ngầm và nước bề mặt với công suất năm tỷ lít mỗi ngày. Tuy nhiên, chưa có nhà mày nào biến nước biển thành nước ngọt đang hoạt động quốc gia này. Một nhà máy như vậy với công suất 100 lít/ngày sắp được hoàn tất tại vịnh Tampa, bang Florida. 1.2 lịch sử phát triển về công nghệ chưng cất bằng năng lượng mặt trời 1.2.1 Bức xạ mặt trời 1.2.1.1 Mặt trời Mặt trời là một khối khí hình cầu có nhiệt độ rất cao, có đường kính khoảng 1,39 * 106 km và cách trái đất khoảng 1,5 108 km . Bề mặt của mặt trời có nhiệt độ vật đen hiệu quả ( effective black body temperature ) vào khoảng 5760 K trong khi đó nhiệt độ thực tế của các vùng bên trong của mặt trời ước tính khoảng 8.106 – 40.106 K. Mật độ của các dòng khí vào khoảng 100 lần so với nước. Có thể coi mặt trời là một lò phản ứng hạt nhân rất lớn, với một loạt các phản ứng kết hợp (Fusion reaction) diễn ra liên tục và cung cấp năng lượng dưới dạng bức xạ của mặt trời. Phản ứng bức xạ quan trọng nhất là quá trình tái tạo hydrô (nghĩa là 4 prôtôn ) kết hợp với nhau để tạo ra Hêlium (nghĩa là một hạt nhân Hêlium): khối lượng của hạt nhân Hêlium nhỏ hơn khối lượng của bốn prôtôn, phần khối lượng mất mát trong phản ứng dược biến đổi thành năng lượng. 1.2.1.2 Trái đất Trái đất có dạng hình cầu đường kính khoảng 12700 km. Trái đất quay xung quanh trục của nó (một vòng mất 24 giờ) và đồng thời quay xung quanh mặt trời (một vòng mất 364,25 ngày). Trái đất quay xung quanh mặt trời với quỹ đạo tròn, mặt trời nằm lệch một chút so với tâm của quỹ đạo tròn . Vào ngày 1/1 hàng năm , trái đất gần mặt trời nhất, trong khi vào ngày 1/7 hàng năm , trái đất xa mặt trời nhất. Trục quay của trái đất nghiêng 23,5 độ so với mặt phẳng quay của trái đất xung quanh mặt trời, như được biểu diễn trên H.1-1. 23,5 o 22/3 22/12 Mặt trời 22/9 22/7 H.1-1. Trái đất quay xung quanh mặt trời Năng lượng bức xạ mặt trời nhận được tại bề mặt của trái đất sẽ bị thay đổi tuỳ thuộc vào : a- Sự tán xạ trong khí quyển của các phân tử không khí, hơi nước và bụi b- Sự hấp thụ trong khí quyền bởi các khí ôxy, hơi nước, và cacbonic. 320 Mặt trời Trái đất đường kính 1,34.109m đường kính 1,27.107m Khoảng cách 1,54.1011 ± 1,7% H.1- 2 . Vị trí tương đối giữa mặt trời và trái đất Năng lượng bức xạ mặt trời nhận được tại bề mặt của trái đất sẽ bị thay đổi tuỳ thuộc vào : a- Sự tán xạ trong khí quyển của các phân tử không khí, hơi nước và bụi b- Sự hấp thụ trong khí quyền bởi các khí ôxy, hơi nước, và cacbonic . Bức xạ nhận được từ mặt trời trên bề mặt trái đất mà không bị tán xạ bởi khí quyển gọi là bức xạ tia, hoặc bức xạ trực tiếp (direct radiation). Bức xạ mặt trời nhận được từ mặt trời sau khi hướng bức xạ bị thay đổi do tán xạ trong khí quyển gọi là bức xạ khuếch tán (diffuse radiation). Tổng của bức xạ( bức xạ trực tiếp + bức xạ khuếch tán ) gọi là bức xạ mặt trời toàn phần (Total or Global radiation). 1.2.2 Bộ thu năng lượng mặt trời Thiết bị thu năng lượng mặt trời dùng để thu năng lượng bức xạ của mặt trời và biến đổi nó thành một dạng năng lượng hữu ích khác. 1.2.2.1 Với các bộ thu dạng tấm phẳng (flat plate collector) Diện tích hấp thụ bức xạ mặt trời chính là diện tích mặt của thiết bị (Intercepting solar radiation area), như được biểu diễn trên H.1-3. Bề mặt trong suốt Bức xạ khuếch tán Bức xạ mặt trời trực tiếp Bảo ôn ống có môi chất lưu động ở bên trong Bề mặt hấp thụ(bề mặt đen) H.1-3. Bộ thu dạng tấm phẳng Bộ thu dạng tấm phẳng thường được sử dụng để cung cấp năng lượng ở nhiệt độ vừa phải (dưới 1000C), từ H.1-3 nếu đi từ trên xuống bộ thu dạng tấm phẳng gồm các bộ phận sau: Tấm phủ trong suốt: được làm bằng thủy tinh hay bằng các vật liệu trong suốt khác, nhiệm vụ cơ bản của các tấm này là tạo ra hiệu ứng nhà kính để làm giảm bớt tổn thất năng lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của bộ thu ra ngoài môi trường, đồng thời góp phần hạn chế bớt tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu. Tất nhiên các tấm phủ này phải có độ trong suốt tốt để có thể cho các tia bức xạ xuyên qua ở mức độ tối đa. Tùy theo mức nhiệt độ làm việc của bộ thu mà chọn số lượng các tấm phủ N. Nói chung khi nhiệt độ càng cao thì N nên càng lớn, giá trị phổ biến của N là từ 1 đến 2. Trong một vài trường hợp có thể không cần dùng đến tấm phủ. Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời: là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền lại cho chất làm việc. Thông thượng bề mặt này được sơn màu đen. Để gia tăng khản năng hấp thụ bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược lại từ bề mặt hấp thụ có thể dùng các loại sơn chuyên dùng để tạo nên bề mặt hấp thụ chọn lọc. Rãnh dẫn chất làm việc: dùng để hướng dẫn chất làm việc đi qua bộ thu và nhận nhiệt từ bề mặt hấp thụ, ở một ít trường hợp rãnh dẫn chất làm việc có thể được đặt ở mặt trên của bề mặt hấp thụ. Lớp cách nhiệt: được đặt ở mặt dưới của bộ thu để giảm tổn thất nhiệt theo hướng đáy của bộ thu. Cần chú ý, ngoài lớp cách nhiệt này cần phải bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các cạnh bên của bộ thu. Hiện nay, cấu tạo cụ thể của các bộ thu dạng tấm phẳng đang được sử dụng trong thực tế khá phong phú vì nó có các ưu điểm sau : Hấp thụ và sử dụng cả hai dạng bức xạ mặt trời bức xạ tia (trực tiếp) và bức xạ khuếch tán. Không đòi hỏi phải hướng bộ máy theo mặt trời (đặt cố định) và chi phí bảo dưỡng thấp. Chi phí thiết bị thấp (có thể dùng vật liệu địa phương) vận hành đơn giản. Bề mặt thuỷ tinh làm việc như một vật thể trong suốt đối với bức xạ mặt trời sóng ngắn, nhưng lại đóng vai trò như một vật mờ (Opaque Object) đối với năng lượng phản xạ. Do vậy, nó hoạt động như một “bẫy” năng lượng mặt trời. Môi chất làm việc để nhận nhiệt từ bộ thu có thể là không khí lưu động giữa bề mặt đen và kính chắn hoặc là nước chảy trong các ống được gắn trên bề mặt đen (Blackened surface plate). Thông số đặc tính của một bộ thu mặt trời là hiệu suất thu năng lượng, được xác định bằng tỉ số của nhiệt hiệu quả thu nhận được trong một khoảng thời gian xác định và năng lượng bức xạ mặt trời chiếu tới bộ thu trong khoảng thời gian đó. Hiệu suất của một bộ thu cho trước và đối với một giá trị của bức xạ mặt trời chiếu tới bộ thu sẽ phụ thuộc vào môi chất lưu động trong bộ thu. Nhiệt độ môi chất lưu động càng lớn thì nhiệt độ bề mặt tấm hấp thụ càng cao dẫn đến tổn thất nhiệt từ bề mặt hấp thụ sẽ tăng và hiệu suất bộ thu sẽ giảm. ở điều kiện ổn định, năng lượng hữu ích ở đầu ra Qu của bộ thu năng lượng mặt trời là chênh lệch giữa năng lượng bức xạ mặt trời hấp thụ được của bộ thu S và tổn thất nhiệt từ bề mặt hấp thụ ở nhiệt độ bề mặt bộ thu Tp,m : Qu = Ac[ S – Ul(Tp,m – Tq)] Trong đó Ac : Diện tích bề mặt bộ thu Ul : Hệ số truyền nhiệt của bộ thu Tq : Nhiệt độ môi trường Qu Năng lượng mặt trời chiếu tới bộ thu hcollector = Trong những năm gần đây các lớp phủ đen bề mặt đã được nghiên cứu và sử dụng, và có khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời rất cao và đồng thời có hệ số phát xạ thấp đối với bức xạ sóng dài. Các bề mặt này cho phép bộ thu mặt trời dạng tấm phẳng có thể vận hành ở nhiệt độ gần 100 0C. 1.2.2.2 Bộ thu dạng hội tụ (Focusing Collectors) Trong các bộ thu hội tụ, ta thường sử dụng các hệ thống gương để làm tăng cường độ bức xạ mặt trời trên bề mặt hấp thụ năng lượng. Các bộ thu này do vậy có thể biến đổi năng lượng ở nhiệt độ cao hơn so với bộ tấm phẳng. Hầu hết các hệ thống hội tụ chỉ sử dụng thành phần bức xạ tia trực tiếp của mặt trời do vậy thành phần khuếch tán được xem là mất mát tổn thất năng lượng. Ngoài ra cũng còn có các tổn thất năng lượng khác. H.1- 5 biểu diễn một vài dạng bộ thu hội tụ, H.1- 5.a dạng thứ nhất bao gồm mặt phẳng nhận năng lượng (Plane receiver with Plane receiver) và hai mặt phẳng phản xạ được bố trí tại hai bên rìa của mặt phẳng nhận năng lượng, nhằm hướng các tia bức xạ bổ sung vào bề mặt nhận năng lượng. Tỷ lệ hội tụ (Tỷ số giữa độ mở Apature của bộ thu so với diện tích hấp thụ năng lượng) của loại này thường thấp, giá trị cực đại không vượt quá 4, hình H.1- 5.b đưa ra sơ đồ nguyên lý của một bề mặt phản xạ hình cong có dạng Parabol. Các tia bức xạ mặt trời chiếu đến bề mặt cong, những tia này được phản xạ và hội tụ tại bộ thu có bề mặt hình trụ (có bề mặt thu dạng ống) hoặc là một bề mặt tròn xoay (Với bộ thu có dạng hình bán cầu). Thể hiện trên hình H.1- 5.c, H.1- 5.d, H.1- 5.e bề mặt phản xạ gồm các tấm gương riêng rẽ gọi là Fresnel, là tổ hợp của các bề mặt phản xạ tấm phẳng đặt trên một giá đỡ chuyển động, để có thể điều chỉnh được góc nghiêng của các mặt phẳng theo vị trí của mặt trời. Hầu hết các bộ thu hội tụ được trang bị cơ chế điều chỉnh và định hướng để cho các bức xạ tia từ mặt trời có thể được phản xạ đến bề mặt tiếp nhận năng lượng. Nói chung, nhiệt độ làm việc của bộ thu dạng tập trung lớn hơn so với nhiệt độ làm việc của bộ thu dạng tấm phẳng. Chính vì vậy khi nhiệt độ làm việc vượt qua 100 oC bộ thu dạng tấm phẳng được thay thế bằng bộ thu dạng tập trung. 1.2.2.3 Bộ thu dạng ống đã rút chân không Đây là một biến thể của bộ thu dạng tấm phẳng. Giá thành của bộ thu dạng ống đã rút chân không khá đắt nhưng hiệu quả của loại này rất cao, cao hơn rất nhiêu so với các bộ thu dạng tấm phẳng thông thường khác. Đặc biệt có thể sử dụng với các bộ thu dạng ống đã rút chân không ở những vùng ít nắng hoặc có nhiệt độ ngoài trời khá thấp. Có thể nói, hiệu quả của bộ thu loại này hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như tốc độ gió ở môi trường xung quanh. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu có xu hướng sử dụng loại bộ thu này để cấp nhiệt cho các loại máy lạnh hấp thụ dùng trong điều hoà không khí. H.1- 4a trình bày hình dạng bên ngoài của một bộ thu dạng ống đã rút chân không. H.1- 4a. Hình dạng bên ngoài của bộ thu dạng ống đã rút chân không Trên H.1- 4b trình bày sơ đồ nguyên tắc của hệ thống nước nóng mặt trời sử dụng bộ thu dạng ống đã rut chân không, H.1- 4c trình bày cấu tạo chi tiết của ống hút chân không. Trong trường hợp này, vỏ bọc hình trụ bằng thủy tinh có dạng ống nghiệm với hai lớp: lớp bên ngoài và lớp bên trong, ở giữa hai lớp này là chân không. Cả hai lớp làm bằng thủy tinh Borosilicate, lớp bên ngoài hoàn toàn trong suốt, còn lớp bên trong được sơn chất hấp thụ chọn lọc ở bề mặt đường kính lớn hơn (bề mặt tiếp xúc với chân không). H.1- 4b.Nguyên tắc của bộ thu dạng ống đã rút chân không H.1- 4c. Cấu tạo ống chân không 1- Mặt thủy tinh bên trong 3- Vùng chân không 2- Bề mặt hấp thụ chọn lọc 4- Mặt thủy tinh bên ngoài 1.2.3 Các công nghệ biến đổi và sử dụng năng lượng mặt trời Hình H.1-6 chỉ ra các cách thức biến đổi năng lượng mặt trời, tuỳ thuộc vào yêu cầu về dạng năng lượng sử dụng cuối. 1.2.3.1 Thiết bị đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời (Solar water heating system) Ngày nay việc sử dụng điện năng để chạy các thiết bị nhiệt (đốt nóng) không kinh tế, như vậy về mặt sử dụng nó bị hạn chế, không còn được ưa chuộng, thay vào đó người ta sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để đun nóng nước, gọi là thiết bị đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời. Nước nóng có khối lượng riêng nhỏ hơn sẽ “nổi” lên trên, theo đường ống lên bể chứa (hình H. 1-7), tại đây nó sẽ được đốt nóng bổ sung trước khi cấp cho các hộ tiêu thụ. Trong hệ thống tuần hoàn tự nhiên, bể chứa được đặt cao hơn bộ hấp thụ, nước ở bên trong bộ thu sẽ hấp thụ năng lượng mặt trời từ tấm hấp thụ và nóng lên, nhẹ đi (do mật độ giảm) và chảy về bể chứa. Nước lạnh từ bể chứa sẽ chảy vào phía dưới của bộ thu. Vào ban đêm, khi bộ thu lạnh đi (vì không có năng lượng mặt trời), không có sự tuần hoàn của nước trong hệ thống, nước nóng được lưu trữ trong bể chứa (thường được cách nhiệt rất tốt). Nước nóng có thể được lấy từ bể chứa nếu có nhu cầu. Việc bố trí thiết bị gia nhiệt bổ sung đảm bảo nhiệt độ nước cấp cho hộ tiêu thụ là đủ nóng, đặc biệt trong những ngày nhiều mây. a. Plane receivet b. Parabolic Concentrator c) Bề mặt phản xạ hình trụ với bộ thu dạng ống d) Bề mặt phản xạ quay với bộ thu hình cầu hoặc bán cầu e) Bề mặt phản xạ kiểu Fresnel (Tấm riêng rẽ) H.1- 5. Các bộ thu năng lượng mặt trời dạng hội tụ Mặt trời Biến đổi nhiệt mặt trời (Solar thermal conversion) Động năng Biến đổi nhiệt cơ (solar thermal mecanical conversion) Biến đổi nhiệt điện (solar thermal electric conversion) Động năng Điện năng Nhiệt tấm thu Biến đổi nhiệt hoá (solar thermal chemical conversion) Hoá năng Điện năng Hoá năng Biến đổi nhiệt - điện – phân li điện (solar thermal electric and electriclysic) Động năng Biến đổi điện (solar ellectric conversion) Điện năng Biến đổi hoá (solar chemical conversion) Hoá năng Hoá năng Biến đổi điện – hoá (solar electro and chemical conversion) Điện nănng Nhiệt tấm thu Nhiệt tấm thu Nhiệt tấm thu Nhiệt tấm thu H.1-6. Các phương thức biến đổi nhiệt động năng lượng mặt trời Nước nóng đến hộ tiêu thụ Thiết bị đốt nóng bổ sung Bể chứa Bộ thu Nước làm lạnh cấp vào bể H.1- 7. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đun nước mặt trời tuần hoàn tự nhiên có thiết bị đốt nóng bổ sung Nước nóng đến hộ tiêu thụ Thiết bị đốt nóng bổ sung Nước làm lạnh cấp vào bể Bể chứa Bộ thu Thiết bị điều khiển Van kiểm tra Bơm H.1- 8. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đun nước mặt trời toàn phần cưỡng bức có gia nhiệt bổ sung trên đường cấp đến nơi tiêu thụ Buồng lưu giữ nhiệt Bộ thu Đường nối tắt Van ba ngả Quạt Gia nhiệt bổ sung Không khí nóng tới nơi tiêu thụ Không khí lạnh từ nơi tiêu thụ a. Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia nhiệt không khí dùng cho sấy Gia nhiệt bổ sung Bộ thu Nước nóng tới nơi tiêu thụ Đường nối tắt Buồng lưu giữ nhiệt Bơm Nước lạnh từ nơi tiêu thụ Bơm Van ba ngả b. Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia nhiệt nước dùng cho sấy sưởi H.1- 9. Sơ đồ nguyên lý sử dụng năng lượng mặt trời Thiết bị đun nước nóng tuần hoàn cưỡng bức (hình H.1-8) được trang bị một bơm nước tuần hoàn nhằm duy trì việc tuần hoàn nước trong bộ thu. Trong trường hợp này, không cần phải đặt bể chứa cao hơn bộ thu. Van kiểm tra lắp đặt để ngăn chặn sự tuần hoàn ngược và các tổn thất nhiệt vào ban đêm của bộ thu. Nhiệt của bộ thu, mức nước của bể chứa, bơm nước tuần hoàn được điều chỉnh bằng thiết bị điều khiển. 1.2.3.2 Thiết bị sưởi ấm sử dụng năng lượng mặt trời (Solar space heating system) Nguyên lý của một hệ thống sưởi ấm sử dụng năng lượng mặt trời được thể hiện trên hình H.1-9. Các hệ thống này có 4 chế độ vận hành cơ bản : Chế độ A : Có năng lượng mặt trời và không cần sấy sưởi, năng lượng thu được từ bộ thu sẽ được “tích trữ” trong buồng lưu trữ (là buồng chứa sỏi hay đá nếu môi chất làm việc là khí, là bể nước nóng nếu môi chất làm việc là nước). Chế độ B : Có năng lượng mặt trời và có nhu cầu sấy sưởi. Năng lượng thu nhận được từ bộ thu sẽ được sử dụng để gia nhiệt cho toà nhà, bệnh viện … Chế độ C : Không có năng lượng mặt trời, có nhu cầu sấy sưởi và có nhiệt trong buồng lưu trữ. Năng lượng lưu trữ trong buộng này sẽ đựơc sử dụng để sấy, sưởi cho toà nhà, bệnh viện … Chế độ D : Không có năng lượng mặt trời, có nhu cầu sấy sưởi, không có năng lượng tích trữ. Năng lượng từ thiết bị bổ sung sẽ được sử dụng. Hệ thống gia nhiệt không khí (hình H.1-9a) sẽ không gặp khó khăn trong khi vận hành ở điều kiện nhiệt độ thấp vào mùa đông, không có hiện tượng bị đốt nóng quá nước (Over heating). Hệ thống đun nước để sấy sưởi (hình H.1-9b) đòi hỏi để bể lưu trữ có thể tích nhỏ hơn, chi phí vận hành bơm là thấp. Tuy nhiên nó có nhược điểm : Nước trong hệ thống có thể bị đông đặc khi thiết bị vận hành vào mùa đông, có thể xuất hiện hiện tượng tích áp vào mùa hè. Cũng cần thiết phải lưu ý vấn đề ăn mòn kim loại sử dụng các hệ thống này. 1.2.3.3 Các công nghệ chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời Theo [6] chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời hiện nay chỉ thích hợp ở những vùng có nhu cầu nước ngọt không quá 200.000 lít/ngày và chi phí vận chuyển nước rất đắt. Việc sản xuất nước chưng cất bằng mặt trời được tính toán với chi phí trong phạm vi 0,8 USD/m3. Với giá này rõ ràng nước chưng cất bằng năng lượng mặt trời chỉ là bài toán so sánh kinh tế giữa chi phí – lợi ích và thực tế chỉ giải quyết cho cung cấp nước uống, không thể giải quyết cho nước tưới. Vốn đầu tư cao cho trạm của hệ thống chưng cất nước bằng mặt trời là lý do chính mà nó không được sử dụng rộng rãi. Người sử dụng hệ thống này cần được cảnh báo về hậu quả có thể độc hại đến môi trường do thải nước cặn sau khi chưng cất nước biển. Công nghệ chưng cất nước biển bằng mặt trời được thực hiện ở Las Salnas, bắc Chi Lê đã xây dựng một bể lớn để chưng cất vào năm 1872, nó làm việc có hiệu quả trong vòng 40 năm. ở úc và Hy Lạp các hệ thống chưng cất này đã được xây dựng vào những năm 1960 vẫn tiếp tục vận hành tốt và các nước đang phát triển như ấn Độ, Pakistan và Trung Quốc đều có trạm chưng cất làm việc rất hiệu quả. Các hệ thống chưng cất nước mặt trời có thể chia ra thành bốn loại : - Chưng cất bể đơn và đơn giản: loại này thường ở những nơi lõm nông trên mặt đất (nơi lõm nông làm mầu đen để tăng sự hấp thụ mặt trời) với một nắp trong suốt đậy lên trên chỗ lõm. Sử dụng hiệu ứng nhà kính, nước muối (hoặc nước ô nhiễm) nhận nhiệt do bức xạ mặt trời, bốc hơi và ngưng tụ ở mặt phía trong của nắp trong suốt, ta sẽ thu được lượng nước ngưng này. Thiết bị chưng cất bể đơn có rất nhiều cách thiết kế, chi phí rẻ và được sử dụng nhiều nhất. Để tăng hiệu suất chưng cất, nắp kính phải đặt nghiêng một góc đủ lớn cho phép nước dễ chảy về phía tấm thu nhiệt, nhưng không được dốc quá làm phản xạ các tia bức xạ mặt trời. Nếu có thể, thiết bị chưng cất phải làm kín không khí, kín nước ở bể và dùng một lớp mỏng vật liệu cách nhiệt để ngăn cản sự tiếp xúc giữa mặt đất và nước. Hơn nữa năng suất nước ngọt sản ra hàng ngày tăng lên đáng kể nếu như nước được làm nóng trước. Các bể chưng cất nước mặt trời đơn giá thành 15…20 USD/m2 và tuổi thọ khoảng 20 năm nếu như ta thiết kế hợp lí, thi công và bảo quản tốt. Một bể chưng cất điển hình có hiệu suất bằng 30%, tương ứng với mức chưng cất hàng ngày từ 2 đến 5 lit/m2 tuỳ thuộc vào mức độ bức xạ mặt trời và thiết kế- hình H.1-10. H.1-10. Sơ đồ chưng cất nước bằng mặt trời dạng bể - Các hệ thống chưng cất tiến bộ: được thiết kế với năng suất cao hơn loại đơn giản ở bể chưng cất đơn. Loại này bao gồm các bể chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời hiệu quả kép (chưng cất thông qua nhiều tầng hình H.1-11 ), một mặt nước nhận nhiệt- nhiệt được giải phóng từ hơi nước ngưng tụ, mặt khác là từ nhiệt bức xạ mặt trời –bộ hấp thụ kiểu nghiêng, ở mặt nghiêng không mắc khuyết điểm như mặt ngang, ở mặt ngang có sự cản trở bức xạ mặt trời. Tuy nhiên, các hệ thống chưng cất kiểu kép có phức tạp, đắt hơn loại chưng cất đơn giản, song nếu tính chi phí- hiệu quả thì nó có năng suất cao hơn trên một mét vuông diện tích tấm thu bức xạ mặt trời. Một hệ thống chưng cất mặt nghiêng đã được tiến hành ở Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng của Viện công nghệ ấn Độ. Hệ thống chưng cất nhiều lớp này bao gồm chủ yếu là kết cấu có hai khung nhôm giữ một tấm kính để che một số lớp xen nhau giữa vải gai và các tấm chất dẻo. Các lớp chồng nhau của vải gai được nhuộm đen để hấp thụ tốt bức xạ và được phân giải ra bởi các tấm chất dẻo màu đen, các đầu phía trên vải nhúng vào trong bể nước mặn. Hiện tượng mao dẫn của vải sợi gai sẽ hút nước mặn lên, sau đó nó chảy xuống theo chiều dài của vải được phơi ra ánh nắng mặt trời. Các đầu phơi ra nắng luôn cung cấp một mặt ẩm từ đó nước sẽ bốc hơi. Nước ngưng được giữ lại trong bể chứa ở phía chân tấm kính hấp thụ, mức nước được giữ cố định nhờ vào cửa tháo nước ngọt ra (hay đó chính là miệng chảy tràn). Bên dưới bể chứa nước ngọt có cửa tháo nước mặn (hình H.1-12). Loại chưng cất nước mặt trời này có trọng lượng nhẹ, dễ mang vác được. Năng suất hàng ngày cao hơn loại chưng cất kiểu bể và có thể làm bằng một nửa chi phí của chưng cất kiểu bể có cùng một diện tích. Những mặt lợi khác là: bộ hấp thụ có thể điều chỉnh được góc tới bất kỳ nhằm nhận được nguồn bức xạ mặt trời tối đa ở từng thời điểm và muối hình thành trên vải nhuộm đen có thể dễ dàng tẩy rửa đi. - Các hệ thống chưng cất có kết hợp sức nóng mặt trời: các loại này thường là loại chưng cất ghép, dùng tổng hợp năng lượng mặt trời và nhiên liệu để cấp cho quá trình chưng cất. Các hệ thống này đứng về mặt tính toán chi phí – lợi nhuận thì có thể cạnh tranh được với hệ thống chưng cất quy mô lớn chỉ dùng nhiên liệu để tạo năng lượng chưng cất. Tiếp tục phát triển các loại chưng cất này, chúng cần được nghiên cứu sâu hơn để có thể sản xuất hệ thống có khả năng khắc phục thiếu sót của hệ thống chưng cất dung tích nhỏ bằng mặt trời và các hệ thống truyền thống có dung tích lớn. - Các loại chưng cất khẩn cấp: loại này được làm bằng một túi chất dẻo phồng không khí để dùng vào sinh hoạt khẩn cấp trên các bè mảng. Khoảng trên 200000 túi chưng cất này được dùng cho hải quân Mỹ trong chiến tranh thế giới thứ hai. Chưng cất “nước dưới đất” được tiến hành bằng phủ những hố đào ở trong đất bằng các nắp đậy chất dẻo trong suốt và đặt một cốc đứng thành ở trong lỗ để thu nước ngưng, do ẩm tăng lên và nhiệt độ hạ thấp, hạ tới nhiệt độ đọng sương, dẫn đến nước sẽ ngưng đọng. Cách này có thể là một nguồn nước ngọt hữu ích khẩn cấp dùng trong những vùng thật sự khô hạn( hình H.1-13). H.1-11. Chưng cất nước bằng mặt trời để nghiêng Theo sơ đồ H.1-11 thì nước biển được cấp từ trên cao (có thể dùng bơm tạo cột áp cao) liên tục, nước biển được dẫn qua các khay chứa nước, nhiệt bức xạ mặt trời nhận được qua hiện tượng hiệu ứng nhà kính- nhiệt bị giữ lại trong không gian trao đổi nhiệt, và do đó cần bọc cách nhiệt về phía dưới các khay chứa nước. Các khay chứa nước đặt theo hình bậc thang, theo đó nước biển sẽ chảy từ trên xuống dưới, trong quá trình đó nó sẽ nhận nhiệt và sinh hơi, phần nước biển chưa bay hơi hết sẽ theo đường nước thải xả đi, phần hơi sinh ra trong không gian kín sau một thời gian sẽ đạt đến trạng thái bão hoà, sẽ ngưng bám vào bề mặt của nắp kính ở phía trên và theo ống gom nước chưng cất đi vào thùng tích nước chưng cất. Với hệ thống như thế này thì lượng nước ngưng thu được sẽ không lớn, một phần vì mật độ nước biển tiếp xúc với bề mặt trao đổi nhiệt là không lớn và thời gian tiếp xúc nhanh (nước chảy theo bậc từ trên xuống). Để khắc phục điều đó người ta dùng các tấm đay, đây đay, tấm chất dẻo để thấm nước biển như hình H.1-12. Về nguyên lý hoạt động thì không khác gì so với trường hợp trên, chỉ khác nhau khi trao đổi nhiệt thì với một lượng nước biển cấp vào là như nhau so với trường hợp trên thì sẽ bay hơi tối đa lượng nước ngọt trong đó. Và như vậy là năng suất của hệ thống này sẽ cao hơn. H.1-12. Chưng cất nước bằng mặt trời kiểu nhiều bấc Chưng cất nước bằng mặt trời khuếch tán khác với các trường hợp khác ở chỗ : bộ thu năng lượng mặt trời sẽ cấp nhiệt cho quá trình bay hơi, nước trong bộ thu sẽ được đốt nóng và được đưa đến thùng tích nước nóng. Tại thùng tích nước nóng sẽ bố trí đường ống dẫn nước nóng gia nhiệt cho bề mặt bay hơi, nước biển sẽ được dẫn qua các bề mặt này truớc khi tưới từ trên xuống theo bề mặt trao đổi nhiệt. Hơi nước được tập trung phía trên và ngưng lại, sau đó theo đường nước dùng tới nơi sử dụng, còn phần nước biển không bay hơi hết sẽ được thải ra ngoài theo đường nước thải. H.1-13. Túi chưng cất nước bằng mặt trời dùng sinh hoạt trên bè mảng 1.3 phân loại thiết bị chưng cất nước Theo cách bay hơi của nước biển [4], thiết bị chưng cất nước biển được chia ra : Thiết bị bay hơi kiểu bề mặt (hình H.1-14); ở đây để gia nhiệt và làm cho nước bay hơi, người ta lắp cụm hâm nóng dạng ống, ống xoắn ruột gà hay là một dạng nào đó. Còn thiết bị bay hơi với buồng bay hơi kiểu không bề mặt (hình H.1-16, đôi khi còn được gọi là thiết bị bay hơi kiểu sôi (tự bay hơi), hoặc thiết bị bay hơi kiểu đoạn nhiệt), thì trong buồng bay hơi không bố trí cụm gia nhiệt, một trong các dạng của thiết bị này được vẽ ở hình H.1-16, nước biển được cấp vào buồng bay hơi (2), nước này đã được gia nhiệt trước ở buồng gia nhiệt (1) đạt đến nhiệt độ hơn nhiệt độ bão hoà 4 – 10 oC phù hợp với áp suất được duy trì trong đó. Bởi vậy, nước được cấp vào buồng bay hơi, được gọi là “ nước quá nhiệt ”, sau đó nhiệt độ giảm xuống (đến nhiệt độ bão hoà) và nhờ nhiệt lượng đó, một phần nước (0,6 – 1,5 %) được bay hơi. Sự ngưng tụ hơi được tạo ra khi hơi của nước biển (được gọi là hơi thứ cấp) được dẫn qua bình ngưng (3), trên hình H.1-14 biểu diễn một thiết bị bay hơi thường dùng với vòng tuần hoàn của nước muối (nước biển có nồng độ nước cao). Thực hiện vòng tuần hoàn này chính là bơm cấp (8). Nhờ vậy tạo ra vòng tuần hoàn nước muối, còn nước cấp được dẫn qua đường ống (5), thải nước muối thực hiện qua đường (7). Để duy trì độ chân không và sự ngưng tụ của hơi thứ cấp của bầu ngưng tụ (3), ngoài bơm nước ngưng (6) người ta còn trang bị bơm không khí và hệ thống tuần hoàn (trên hình này không vẽ). Thiết bị chưng cất nước với buồng bay hơi không bề mặt thì nước biển có thể chảy liên tục : Nước biển được cấp vào bình gia nhiệt, còn phần nước muối thừa (có nồng độ muối cao) sau bay hơi được thải ra ngoài, không cấp trở lại bộ gia nhiệt. Theo số cấp áp lực của hơi thứ cấp, các thiết bị chưng cất nước còn được chia ra loại một cấp, hai cấp và nhiều cấp. Trên hình H.1-15 biểu diễn thiết bị bay hơi hai cấp kiểu bề mặt : Hơi thứ cấp của cấp bay hơi thứ nhất (2) được dùng làm chất gia nhiệt cho hơi thứ hai (3), trong buồng này áp suất thấp hơn trong buồng hơi thứ nhất. Trong thiết bị bay hơi hai cấp với bay hơi kiểu bề mặt, nước chưa bay hơi trong cấp thứ nhất được đưa vào buồng bay hơi trong cấp thứ hai. Trong buồng bay hơi được duy trì áp suất thấp hơn, bởi vậy lượng nước còn lại được bay hơi trong buồng này. Trong thiết bị bay hơi nhiều cấp kiểu không bề mặt, nước được dẫn liên tục, phần nước chưa bay hơi của cấp thứ ba được dẫn tới buồng bay hơi của cấp tiếp theo. Đôi khi để nhận được nước cất có chất lượng cao người ta sử dụng thiết bị bay hơi hai lần : Trong thiết bị này nước chưng cất nhận được trong cấp thứ nhất, chất ngưng tụ của hơi thứ cấp được bay hơi trong bầu hơi tiếp theo và hơi nhận được lại cho ngưng tụ. Theo cách tận dụng nhiệt của hơi thứ cấp, các thiết bị chưng cất nước còn được chia ra thiết bị hoàn nhiệt và thiết bị không hoàn nhiệt. Trong các thiết bị bay hơi không hoàn nhiệt, hơi thứ cấp được ngưng tụ trong các bầu ngưng tụ, bầu này được làm mát bằng nước biển, nhiệt của hơi thứ cấp bị mất đi. Để sử dụng nhiệt này trong các thiết bị bay hơi hồi nhiệt chất ngưng tụ được bơm từ bầu ngưng tụ chính lại được gia nhiệt. Đôi khi để hồi nhiệt của hơi thứ cấp ta dùng “máy nén nhiệt”, trong đó nhờ năng lượng của hơi công tác nóng làm một phần của hơi thứ cấp được tăng áp suất và nhiệt độ, sau đó dùng hơi này làm chất gia nhiệt. H.1-14. Sơ đồ thiết bị chưng cất nước kiểu bề mặt 1. Bộ phận gia nhiệt ; 2. Buồng bay hơi ; 3. Bộ ngưng tụ kiểu bề mặt ; 4. Bơm chân không ; 5. Nước làm mát bình ngưng ; 6. Bơm nước ngưng ; 7. Đường cấp nước biển ; 8. Bơm nước muối. H.1-15. Thiết bị bay hơi hai cấp với bầu bay hơi kiểu bề mặt 1. Bộ phận gia nhiệt ; 2. Buồng bay hơi cấp 1 ; 3. Buồng bay hơi cấp 2 4.Bộ ngưng tụ kiểu bề mặt ; 5. Nước làm mát bình ngưng; 6. Bơm nước ngưng ; 7. Đường cấp nước biển ; 8. Bơm nước muối ; 9. Bơm chân không H.1-16. Thiết bị chưng cất với buồng bay hơi kiểu không bề mặt với vòng tuần hoàn nước muối Bộ hâm ; 2. Bầu bay hơi ; 3. Bầu ngưng ; 4. Bơm nước ngưng ; 5. Đường cấp nước biển ; 6. Bơm tuần hoàn nước muối ; 7. Đường xả nước muối. 1.4 hệ thống thiết bị Thành phần trong nước biển có chất oxy hoá mạnh là Ion Clorua. Chất này có khả năng ăn mòn kim loại rất lớn. Vì thế yêu cầu đặt ra đối với thiết bị chưng cất là có khả năng chống ăn mòn (bị rỉ), với yêu cầu này thì những vật liệu là kim loại như đồng(Cu), sắt(Fe) là không phù hợp. Để đảm bảo điều kiện trên ta dùng Inox 304 là vật liệu làm thiết bị cho hệ thống. Theo phần 5[6] : “ chi phí của các loại chưng cất bằng năng lượng mặt trời là rất khác nhau, tuỳ thuộc vào mức độ phức tạp về thiết kế và thi công. Có thể ước tính trong phạm vi từ USD/m2 diện tích thu bức xạ mặt trời. Tuy nhiên các hệ thống có chi phí cao thì chi phí bảo quản và vận hành lại thấp. Sản lượng nước ngọt trung bình từ hệ thống chưng cất mặt trời nằm trong phạm vi lít/m2/ngày, với hệ thống phức tạp, đầu tư tốn hơn có thể đạt tới 100 lít/m2/ngày. Với mô hình thí nghiệm ước tính sản lượng nước ngọt của hệ thống chưng cất là 8 lít/1 ngày. Sản lượng nước ngọt thu được phu thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau trong đó có hai yếu tố trọng yếu là : chế độ bay hơi ở thiết bị bay hơi và chế độ ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ. Yêu cầu đặt ra là nghiên cứu chế tạo thiết bị bay hơi kiểu màng và ngưng tụ kiểu tưới, kiểu ngập. Sơ đồ nguyên lý được trình bày ở phần 2.2. Tiêu tốn ít nhất điện năng và nhiệt năng bởi vậy chi phí ít nhất nhiên liệu để nhận được nước cất, kích thước, khối lượng và giá thành nhỏ nhất. 1.5 cung cấp nhiệt cho hệ thống Theo phần 2[6] đã thử nghiệm dùng máy đo ánh nắng mặt trời. Bức xạ mặt trời được đo nhiều lần với khoảng thời gian ngắn : Trước hết là không có kính thu, sau đó là qua kính dày 3 mm, sau cùng là qua hai tấm kính dày 3 mm khoảng cách giữa hai tấm kính là 20 mm . Trong khi làm và lắp đặt tấm thu nhiệt, điều quan trọng là không để những gợn nhăn ở đầu phía dưới của nắp tấm thu sẽ tạo nên những chỗ bám bụi. Nếu tấm thu nhiễm bẩn nắp bức xạ mặt trời có thể giảm tới 30% năng lượng. Lượng nhiệt thu được trong qua các thử nghiệm đó thu được vào khoảng W/m2. Như vậy đối với mô hình hệ thống làm thi nghiệm cũng phải cấp một lượng nhiệt tương ứng. Nhưng ở mô hình không phải cấp nhiệt nhờ năng lượng mặt trời mà nhờ dòng điện xoay chiều thông qua thanh đốt (hình H.1-17). Thanh đốt có thể thay đổi được công suất nhiệt khác nhau tuỳ vào cấu tạo của nó. Vì thế trong mô hình nên chọn công suất nhiệt của thanh đốt lớn hơn nhiệt thu được của bộ thu năng lượng mặt trời (nên chọn thanh đốt đã có sẵn). H.1-17. Bộ phận cung cấp nhiệt cho bình bay hơi của mô hình thí nghiệm Tài liệu : GS. TSKH. Đặng Quốc Phú (chủ biên) – PGS. TS. Trần Văn Phú – PGS. PTS. Trần Thế Sơn. “Truyền nhiệt ” Nhà xuất bản giáo dục – 1999 [1] Phạm Lê Dần - Đặng Quốc Phú. “Bài tập cơ sở kỹ thuật nhiệt ” Nhà xuất bản giáo dục - 2002 [2] PGS – TS Bùi Hải. “Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ” Nhà xuất bản giao thông vận tải - 2002 . [3] Kỹ sư – máy trưởng: Trần Huy Dũng . “Lý thuyết vận hành , bảo dưỡng thiết bị chưng cất nước trên tàu thuỷ” Nhà xuất bản giao thông vận tải -1991 [4] PGS. PTS. Phạm Lê Dần – PGS. PTS. Bùi Hải . “Nhiệt động kỹ thuật ” Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật – 1997 [5] Nguyễn Duy Thiện. “Kỹ thuật sử dụng năng lượng mặt trời ” NXB Xây Dựng- 2001 [6] Phùng Hồ, Bộ môn vật lý chất rắn, Khoa ĐHTC Bách Khoa Hà Nội. “Kỹ thuật chân không ” Hà Nội- 1976 [7] K. Stephan Warmeubegang beim Kendensieren und beim Sieden Springer Verlag Berlin London Paris 1988 [8]