Nghiên cứu triển khai ứng dụng bếp parabôn sử dụng năng lượng mặt trời

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG BẾP PARABÔN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI A STUDY ON THE APPLICATION OF PARABOLIC SOLAR COOKER HOÀNG DƯƠNG HÙNG Trường ðại học Bách khoa, ðại học ðà Nẵng TÓM TẮT Ngày nay năng lượng mặt trời ñược sử dụng ngày càng nhiều và thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống ngày một khan hiếm. Việt Nam là nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn, do vậy thiết ,bị năng lượng mặt trời ngày càng ñược quan tâm nghiên cứu sử dụng. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu triển khai bếp parabôn sử dụng năng lượng mặt trời dùng cho nấu cơm, nước và thức ăn nhằm góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. ABSTRACT Nowadays, solar energy is increasingly used and gradually replaces conventional limited energy. Vietnam has a great resource of solar energy, so more and more attention is being paid to the research and use of solar power equipment. In this article we present the study results on applying the parabolic solar cooker for rice and cooking and water boiling so as to save energy and protect the environment. 1. ðặt vấn ñề Sự thiếu hụt về năng lượng trên toàn cầu ngày càng tăng cùng với việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống là vấn ñề ô nhiểm môi trường sinh thái ngày một nghiêm trọng, do vậy các nguồn năng lượng mới ñã và ñang ñược nghiên cứu sử dụng ngày càng nhiều nhằm dần dần thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống ngày một khan hiếm. Việt Nam là một nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn trong lúc ñó các nguồn năng lượng khác không ñủ cung cấp cho nhu cầu ngày càng tăng của công cuộc công nghiệp hóa hiện ñại hóa ñất nước. Mặt khác ở các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên cuộc sống của người dân nông thôn còn nghèo, chất ñốt chủ yếu ñược sử dụng là rơm rạ, than, củi, do ñó vấn ñề ñốn cây phá rừng làm chất ñốt ngày một gia tăng làm ảnh hưởng ñến môi trường sinh thái tự nhiên. Do vậy nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ñể nấu cơm, nước và thức ăn là rất cần thiết và có ý nghĩa rất lớn trong việc góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường sinh thái ở nước ta 2. Nghiên cứu lý thuyết 2.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt ñộng bếp parabôn năng lượng mặt trời Bếp nấu Parabôn có cấu tạo như hình 1. ðế ñặt nồi (1) làm bằng khung kim loại dẫn nhiệt tốt, ñế ñược gắn với hệ thống chân ñỡ (nhưng cách nhiệt với hệ thống chân ñỡ), ñế ñặt nồi có thể ñược ñưa vào ñưa ra và ñưa lên ñưa xuống khỏi tâm của bếp. Nồi chứa thức ăn (2) là nồi nấu bình thường bên ngoài ñược sơn màu ñen (chọn loại sơn có ñộ hấp thụ cao) ñể có thể hấp thụ năng lượng mặt trời tốt, khi cần nướng (thịt, cá...) thì có thể thay nồi bằng tấm lưới Inox, dung tích của nồi tuỳ thuộc vào kích thước của bếp và tuỳ thuộc vào thời gian chúng ta cần nấu chín thức ăn. Mặt phản xạ (3) làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc Inox) ñánh bóng nhẵn ñể có ñộ phản xạ cao. Biên dạng của mặt phản xạ là mặt parabôn tròn xoay ñược gá tựa vào khung như hình vẽ ñể có thể nhận ánh sáng từ mặt trời. Khung ñỡ (4) làm bằng kim loại, nhựa hoặc gỗ có biên dạng là mặt parabôn tròn xoay ñể có thể gá mặt phản xạ lên trên khung, khung ñược chế tạo sao cho có thể tháo lắp dễ dàng. Thanh chóng ñiều chỉnh (5) làm bằng kim loại hoặc gỗ cứng ñể ñiều chỉnh chảo parabôn xoay quanh một trục nằm ngang. Hệ thống chân ñỡ (6) làm bằng kim loại, nhựa hoặc gỗ có thể dễ dàng tháo lắp hoặc xếp gọn. Vị trí tâm nồi nấu (ñiểm hội tụ của mặt parabôn) ñược tính toán sao cho nồi ñược ñặt vào trong lòng của chảo parabôn ñể giảm tổn thất nhiệt do ñối lưu (khi có gió). 2.2. Tính toán thiết kế bếp parabôn năng lượng mặt trời Bếp gồm chảo parabôn nhận chùm bức xạ nhiệt mặt trời có ñường kính D, mặt phản xạ parabôn có hệ số phản xạ R, nồi nấu làm bằng Inox sơn ñen có hệ số hấp thụ ε, ñường kính nồi là d chiều dày δo, có khối lượng riêng ρo, nhiệt dung riêng C, chiều cao h. Nồi chứa ñầy nước có nhiệt dung riêng Cn khối lượng riêng ρn, Bếp nấu ñược sử dụng thường vào buổi trưa (từ 10h ñến 2h) nên cường ñộ bức xạ trung bình tính toán lấy tại Thành phố ðà Nẵng và tỉnh Quảng Nam là 940 W/m2. Ta hãy tính toán kích thước bếp (D) cần thiết ñể nấu một lượng nước chứa ñầy trong nồi ñến khi sôi (ñạt nhiệt ñộ ts với nhiệt ñộ môi trường xung quanh to) trong một khoảng thời gian τ cho trước nào ñó. Trong thời gian τ bếp (gồm chảo parabôn và nồi nấu) sẽ thu từ bức xạ mặt trời một lượng nhiệt bằng Q1: Q1 = ε.E.F.τ, [J]. trong ñó diện tích tính F = [F1 + RF2 ] D d h Hình 2. Mô hình tính toán 1 3 4 5 6 2 Hình 1. Cấu tạo bếp Parabôn 1- ðế ñặt nồi 2- Nồi chứa thức ăn 3- Mặt phản xạ 4- Khung ñỡ 5- Thanh chóng ñiều chỉnh 6- Hệ thống chân ñế Với: - diện tích hứng nắng của nồi F1 ≈ d.h, [m 2] - diện tích hứng nắng của mặt parabôn F2 = 4 2Dπ - F1, [m 2] Lượng nhiệt nhận ñược của bếp Q1 dùng ñể: - Làm tăng nội năng của nồi Uo = mo.C.(ts - to) - Làm entanpy của nước Im = mn.Cn(ts - to) - Làm tăng nội năng của ñế nồi Uñế (ñế nồi thường làm bằng khung thép nhỏ nên ta bỏ qua phần này) - Tổn thất ra môi trường xung quanh Q2 trong ñó: mo = πd.h.δo.ρo + 2.δo.ρo. 4 2dπ , [kg], mn = 4 2dπ .h.ρn [kg], Do bếp ñược cấu tạo như trên nên tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh chủ yếu là do trao ñổi nhiệt ñối lưu tự nhiên giữa bề mặt xung quanh nồi và không khí ñối lưu xung quanh nên ta trong trường hợp này ta có thể tính; Q2 = α Fxq (ts - to)τ, [J]. Với; - hệ số toả nhiệt ñối lưu tự nhiên α chọn α = 10 W/m2ñộ [2] - diện tích xung quanh Fxq = πd.h +2. 4 2dπ , [m2] Vậy phương trình cân bằng nhiệt cho bếp là: Q1 = mo.C.(ts - to) + mn.CP(ts - to), hay ε.E.F.τ =(πd.h.δo.ρo + 2.δo.ρo. 4 2dπ ) C.(ts - to) + 4 2dπ .h.ρn Cn(ts - to) + α Fxq (ts - to) τ Thay các giá trị; E = 940 W/m2, ε = 0,9, D = 0,9, R =0,9, δo =0,001m, ρo= 7850kg/m 3, ts = 100 oC, to = 30oC, C = 460 J/kgñộ, ρn = 1000kg/m3, Cn = 4200J/kgñộ, d = 0,25m, h= 0,2m, ta tính ñược m =1,75kg mn=9,8kg => F. τ = 3482 hay (0,7D2 +0,002).τ = 3486 => D(τ) = 0028,0 .7,0 3486 − τ Ta xây dựng quan hệ D(τ) như hình 3. Từ quan hệ này ta có thể tính ñược ñường kính bếp parabôn D theo thời gian nấu τ yêu cầu hoặc ngược lại khi có bếp ta tính ñược thời gian nấu và công suất của bếp. Ví dụ: Nếu cần nấu với nồi nấu trên (chứa 9,8 kg nước) trong thời gian 45 phút = 2700s thì cần bếp có ñường kính D = 1,3m. Ngoài dùng ñể nấu nước nấu cơm bếp parabôn do có ñộ hội tụ cao nên có thể dùng ñể xào nấu và nướng thức ăn nhiệt ñộ tại tâm hội tụ có thể lên ñến 450oC. 0 1200 2400 3600 4800 6000 1.33 2.67 4 5.33 6.67 8 Thoi gian nau (s) D uo ng k in h cu a be p pa ra bo n (m ) 7.056713 0.909505 D τ .6 10 3100 τ Hình 3. ðồ thị quan hệ D(τ) 3. Nghiên cứu thực nghiệm 3.1. Chế tạo bếp parabôn Bộ phận quan trọng nhất của bếp là mặt parabôn phản xạ, nếu sản xuất hàng loạt thì mặt này tốt nhất là làm bằng nhôm và dập với biên dạng theo yêu cầu rồi sau ñó ñánh bóng mặt trong thật nhẵn và sáng (như gương). Tuy nhiên ñể chế tạo ñược như vậy thì cần phái có các dụng cụ và máy móc chuyên dụng. Thực tế theo phương pháp tính toán như phần 2.2 chúng tôi ñã chế tạo hàng loạt các bếp parabôn với nhiều loại vật liệu và kích thước khác nhau ñể sử dụng trong ñiều kiện thực tế và kết quả rất phù hợp với tính toán lý thuyết. Trong thực tế ñể ñơn giản trong quá trình chế tạo và giảm giá thành thiết bị chúng ta có thể chế tạo mặt parabôn phản xạ theo các cách như; loại bếp có mặt parabôn làm từ các tấm lá kim loại ñược ñánh bóng hình quạt (hình 4, 5) 500.0 1000.0 1200.0 360.0250.0 o 62.5 f 0 CHUÏ YÏ: Coï thãø chãú taûo màût phaín xaû theo caïc biãn daûng khaïc nhæng biãn daûng cuía màût phaín xaû phaíi coï daûng: våïi f laì toaû âäü cuía tiãu âiãøm (tám näöi) Caïch gheïp caïc táúm thaình màût phaín xaû 15 Tám näöi (tiãu âiãøm) Màût phaín xaû x y 2 4.f y = x Hình 4. Biên dạng mặt parabôn phản xạ. Hình 5. Ở tâm của tấm hình quạt có thể từ 10o÷15o Hình 5. là loại bếp có mặt phản xạ gồm các tấm thép trắng hình quạt có chiều dày 0,5mm ñã ñược ñánh bóng sẵn và ñược ghép ñồng tâm dựa trên một khung có biên dạng parabôn. Tấm phản xạ còn có thể ñược chế tạo từ các mảnh thép trắng nhỏ (bằng cách này có thể tận dụng các mảnh phế thải ñể tiết kiệm) ghép với nhau trên một khung ñịnh hình sẵn theo biên dạng mặt parabôn sao cho có thể lắp ghép các tấm phả xạ nhỏ ñược dễ dàng (hình 6). ðể tiện lợi cho việc vận chuyển và tháo lắp (ñi du lịch...) chúng ta có thể chế tạo bếp gồm nhiều mảnh, hình 7 là loại bếp parabôn 6 mảnh, rất tiện lợi cho lắp ghép và sử dụng ngay khi cần thiết. 3.2. Triển khai ứng dụng bếp parabôn Với loại bếp nấu parabôn có ñộ hội tụ cao nên thường ñược dùng ñể chiên, xào nấu thức ăn ñặc biệt là dùng rán, nướng các loại thực phẩm vì nhiệt ñộ tại tiêu ñiểm có thể ñạt 300÷450oC. Trước lúc nấu thì chúng ta phải chuẩn bị thức ăn trước, cho vào nồi và ñậy nắp lại, ñặt nồi lên trên ñế ñặt nồi (hình 1), khi muốn nướng (thịt, cá... ) thì thay nồi bằng loại lưới Inox (hình 14), dịch chuyển hệ thống bếp và ñiều chỉnh góc nghiêng của chảo parabôn (bằng thanh chống ñiều chỉnh) sao cho nồi có thể nhận ñược nhiều ánh sáng nhất. Tuỳ theo kích thước của bếp và dung lượng thức ăn trong nồi mà sau thời gian khoảng 30÷60phút thức ăn sẽ chín. Hình 6. Loại bếp chế tạo từ các mẩu tấm phản xạ nhỏ. Hình 7. Loại bếp Parabol 6 mảnh Trong quá trình nấu nếu có thời gian thì tốt nhất sau khoảng 15 phút chúng ta nên xê dịch bếp ñể có thể nhận ñược ánh sáng nhiều nhất thì thời gian nấu sẽ nhanh hơn. 4. Kết luận Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết và triển khai ứng dụng thực tế của bếp năng lượng mặt trời, bước ñầu cho thấy triển vọng rất lớn của việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta, Bếp parabôn dùng năng lượng mặt trời ñã ñược sử dụng rất hiệu qủa cho việc ñun nấu của người dân vùng sâu vùng xa và hải ñảo nhằm góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hoàng Dương Hùng, 2007, Nghiên cứu triển khai thiết bị năng lượng mặt trời, Dự án ươm tạo công nghệ. [2]. John A. Duffie, William A. Beckman, 1991, Solar Engineering of Thermal Processes, A Wiley - Interscience Publication. [3]. Published by Technology for Life, Finland, 1995, Manual For Solar Box cookers. Hình 8. Bếp parabôn dùng ñể nấu thức ăn Hình 9. Bếp parabôn dùng ñể nướng cá, thịt