Bài giảng cơ điện nông nghiệp

máy đặt lên ba bánh xe để kéo đi hoặc có cơ cấu dẫn động tự hành từ động cơ. Nguyên tắc làm việc của máy là khi trống quay, các răng đập đập vào khối lúa, làm cho khối lúa vừa quay vừa đi dọc trục theo đường xoắn từ cửa vào đến cửa ra, nhờ chà xát, lôi kéo và va đập để tách hạt. Trong quá trình đó hạt lọt qua máng sàng xuống sàng lắc và được làm sạch, phân loại. Còn rơm được thổi ra xa. Quạt gió để thổi tạp chất nhẹ ra khỏi hạt. 5.3.1.4. Máy gặt đập liên hợp Ở các nước phát triển, hầu hết dùng máy gặt đập liên hợp để thu hoạch lúa. Trong hoàn cảnh nước ta, mức độ cơ giới hóa còn thấp, kích thước ruộng nhỏ hẹp, cho nên chưa sử dụng nhiều các máy gặt đập liên hợp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 116 Máy gặt đập liên hợp là tổng hợp các máy gặt, máy đập và trang bị thêm một số bộ phận làm việc khác như: Thùng chứa hạt, thùng chứa rơm, các băng chuyền lúa, hạt, hệ thống di động, điều khiển, bộ phận rũ rơm, bộ phận làm sạch và phân loại hạt. Trong quá trình làm việc, máy gặt đập liên hợp phải hoàn thành các nhiệm vụ: Gặt thu gom cây đã cắt và chuyển chúng tới bộ phận đập, làm sạch hỗn hợp hạt thu được, còn rơm được xả xuống ruộng. Khi máy đang làm việc, hạt có thể chuyển qua phương tiện vận chuyển chạy bên cạnh cùng tốc độ. Hình 5.20 Máy gặt đập liên hợp của Hàn Quốc Yêu cầu kỹ thuật đối với máy gặt đập liên hợp cũng là những yêu cầu kỹ thuật đối với các loại máy thành phần. Khi liên kết các máy đó lại trên máy gặt đập liên hợp thì chúng phải phù hợp nhau về năng suất. Máy gặt đập liên hợp có loại móc sau máy kéo, có loại treo trên máy kéo, có loại tự hành. Máy gặt đập liên hợp tự hành có khả năng di động cao, tiện lợi cả khi làm việc và vận chuyển. Dạng máy này cho năng suất cao và hiệu quả kinh tế lớn nên hiện nay trên thế giới đang sử dụng nhiều để thu hoạch lúa mì, lúa mạch. Ở nước ta, bước đầu đã nghiên cứu chế tạo và sử dung một số máy gặt đập liên hợp cỡ nhỏ (12 -50 mã lực). 5.3.2. Máy thu hoạch ngô 5.3.2.1. Các phương pháp thu hoạch ngô Ngô trồng để lấy hạt hoặc cả thân lá làm thức ăn cho gia súc. Nếu trồng ngô để làm thức ăn xanh thì ngô được thu hoạch khi bắt đầu ra hoa cho tới khi hạt ngô trên bắp có dạng chín sữa. Nếu trồng ngô để lấy hạt thì thu hoạch khi cây già, quả chín khô. Hiện nay, dùng phổ biến các phương pháp thu hoạch ngô sau đây: - Cắt cây, bẻ bắp, bóc vỏ áo bắp và râu, chuyển đến bộ phận chứa. 117 - Cắt cây có cả bắp, bó, vận chuyển đến bộ phận chứa. - Cắt cây, bẻ bắp, bóc vỏ áo bắp, đập tách hạt khỏi lõi và chuyển đến bộ phận chứa, băm cây rãi trên đồng,. - Cắt cây, băm toàn bộ, vận chuyển... Các sản phẩm trong quá trình thu hoạch ngô là hạt, vỏ áo bắp, lõi, thân ngô được tách riêng vào các thùng chứa hay thiết bị vận tải về kho. Dạng thu hoạch ngô bằng máy liên hợp được dùng phổ biến và có hiệu quả kinh tế cao. Khi thu hoạch ngô làm thức ăn xanh, có thể cắt và băm cây (không có bộ phận bẻ bắp, bóc vỏ v.v...). Máy thu hoạch ngô trên thế giới có nhiều loại khác nhau - Theo mục đích làm việc có các loại máy thu hoạch ngô làm thức ăn gia súc, có loại máy thu hoạch ngô lấy hạt, có loại máy “vạn năng”. - Theo cấu tạo và khả năng làm việc có loại máy bẻ bắp ngô, có loại máy bẻ bắp và bóc vỏ, cắt cây, có loại máy liên hợp thu hoạch ngô. Hiện nay, ở nước ta trong việc cơ giới hóa thu hoạch ngô, chủ yếu mới sử dụng máy tẻ hạt ngô. 5.3.2.2. Máy tẻ hạt ngô Máy tẻ hạt ngô (hình 5.21) dùng để tách hạt ngô khỏi lõi bằng nguyên tắc va đập. Trên các loại máy tẻ hạt này, còn có các bộ phận để làm sạch hạt, tự cung cấp và vận chuyển sản phẩm vào, ra khỏi máy v.v... Trống quay trong một buồng tẻ ngô hình trụ gọi là buồng đập. Phần dưới buồng tẻ với một cung, người ta đặt máng sàng. Phía trên đặt một thùng chứa bắp, có băng chuyền hộc chuyển bắp từ đống lên thùng chứa và có cửa để cung cấp bắp vào buồng đập. Cuối buồng đập, ở một bên có cửa ra lõi và tạp chất. Một quạt gió li tâm để thổi tách các tạp bẩn nhẹ khỏi dòng hạt rơi xuống. Để điều chỉnh được áp lực va đập trong buồng đập, có thể điều chỉnh độ mở cửa ra phù hợp nhằm không bẻ vụn lõi hoặc vỡ hạt. Năng suất máy còn phụ thuộc vào độ ẩm của bắp ngô, loại giống ngô. Hình 5.21 Sơ đồ máy tẻ hạt ngô 1. Thùng đựng quả ngô, 2. Trống tẻ hạt, 3. Máng sàng, 4. Trục xoắn chuyền hạt Ở nước ta, chưa sử dụng nhiều các máy tẻ hạt ngô cỡ lớn, mặc dù hiện nay đã có những vùng ngô chuyên canh có sản lượng khá lớn. Những năm qua, ở một số cơ 1 2 3 4 118 sở đã sản xuất những mẫu máy tẻ ngô đạp chân, quay tay theo nguyên tắc chà xát, sử dụng tiện lợi cho các hộ gia đình. 5.3.3. Máy phân loại và làm sạch 5.3.3.1. Các nguyên tắc phân loại và làm sạch hạt Hỗn hợp hạt thu được sau khi đập, tuốt gồm: Hạt tốt, hạt vỡ, hạt lép, gié lúa và các tạp chất cơ học khác. Để tách chúng và phân loại hạt phù hợp với yêu cầu sử dụng cần dùng các máy phân loại, làm sạch hạt. Người ta dựa chủ yếu theo hai nguyên tắc để phân loại, làm sạch hạt. Đó là phân loại, làm sạch hạt theo tính chất khí động và theo kích thước hạt. Cách phổ biến của nguyên tắc khí động là cho hạt dịch chuyển trong luồng không khí do quạt gió tạo ra (hình 5-22). Dưới tác dụng của trọng lực Q của hạt và lực cản R (các hạt của một loại trong hỗn hợp có trọng lượng khác nhau). Hình 5.22 Nguyên tắc khí động 1- Thùng chứa hạt, 2- Luồng gió, 3- Các phễu hứng Tùy thuộc hình dáng, kích thước hạt, tốc độ dòng khí mà lực cản lên các hạt cũng khác nhau. Hỗn hợp hạt khi đó sẽ có ba trường hợp xảy ra: Q > R: hạt bị rơi xuống Q < R: hạt bay theo dòng khí Q = R: hạt sẽ lơ lửng ở trạng thái không ổn định. Trên cơ sở đó xác định được vận tốc tới hạn (Vth) của dòng khí với loại hạt đó và có:   K gVth Trong đó: g là gia tốc trọng trường, K là hệ số thổi bay của từng loại hạt. Như vậy, ứng với mỗi loại hạt và tạp chất bẩn có trọng lượng, tính chất khí động khác nhau sẽ di chuyển theo những quĩ đạo khác nhau (do Q và R khác nhau). Lợi dụng các tính chất này, người ta sử dụng các quạt gió (hút hoặc đẩy) để phân loại, làm sạch hạt. R Q Dòng khí 1 2 3 119 Nguyên tắc chủ yếu thứ hai là phân loại, làm sạch hạt theo kích thước hạt. Một hạt, xét tương đối có ba kích thước đặc trưng là dày, rộng, dài (a, b, c mà thường là a< b< c và nếu hạt hình cầu thì a= b= c). Các hạt có chiều dày khác nhau được phân loại trên sàng lỗ dài (hình 5-23b). Hạt nào có chiều dày nhỏ hơn bề ngang lỗ sẽ lọt xuống (chiều dài lỗ sàng > c hạt). Các hạt có chiều rộng khác nhau được phân loại trên sàng lỗ tròn (hình 5-23c). Hạt chỉ lọt qua sàng khi b hạt < đường kính lỗ sàng, các kích thước a và c không ảnh hưởng tới khả năng chui qua lỗ của các hạt đó. Khi dùng sàng, không những có thể phân loại đồng thời theo kích thước a và b, mà còn dùng để làm sạch hạt khỏi tạp chất. Để phân loại theo chiều dài c của hạt ta dùng trống phân loại (hình 5-23d). Trống làm bằng thép lá có dập tổ ong, ở mặt trong trống có dạng hình trụ tròn, chiều dài trống phụ thuộc yêu cầu kỹ thuật. Các hạt tròn và ngắn sẽ nằm sâu trong hốc tổ ong, còn hạt dài sẽ thừa ra ngoài lỗ. Khi trống quay, các hạt dài sẽ rơi sớm, còn hạt ngắn được nâng lên cao mới rơi vào máng hứng, được trục xoắn chuyển ra ngoài. Như vậy hạt dài ngắn khác nhau đã được tách riêng. Khi thay đổi chiều cao máng hứng sẽ thu được các loại hạt ngắn với kích thước cũng khác nhau. Trống thường đặt xiên, các hạt dài còn dưới trống sẽ đi dọc trống khi trống quay và ra ngoài. Để phân loại chính xác, cần xác định số vòng quay tới hạn của trống. Số vòng quay mà ở đó một hạt trong lỗ tổ ong ở vị trí thẳng đứng với trục quay bị tác dụng cả hai lực trực đối: Lực li tâm và trọng lực, gọi là số vòng quay tới hạn của trống (Nth). Như vậy khi làm việc, trống không được quay nhanh hơn tốc độ Nth: Ta có: gmrm ... 2  và 30 .n   Nên r gN th . 30        Trong đó: m: Khối lượng của hạt : Tốc độ góc của trống n: Số vòng quay của trống trong 1 phút. Hình 5.23 Phân loại hạt theo kích thước a- Kích thước hạt, b- Sàng lỗ dài, c- Sàng lỗ tròn, d- Trống phân loại 1- Vỏ trống phân loại 2- Trục xoắn chuyền hạt 3- Máng hứng hạt 4- Hạt ngắn c b a 1 2 3 4 b a a) b) c) d) 120 g: Gia tốc trọng trường; r: Bán kính của trống. Tuy nhiên trống quay chậm thì năng suất thấp, do đó thường chọn số vòng quay của trống Nt là: r NN tht 24.8,0  (vòng/phút) Chọn Nt trong khoảng 40- 50 vòng/phút Để nâng cao năng suất, thường dùng hai trống lồng vào nhau và tăng chiều dài trống. Ở một số loại hạt đặc biệt, người ta còn phân loại theo các nguyên tắc nhiễm từ, nguyên tắc hệ số ma sát bề mặt, theo độ sáng của vỏ hoặc nguyên tắc trọng lượng tương đương v.v... 5.3.4.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của một số máy phân loại, làm sạch hạt * Quạt hòm Hình 5.24 Quạt hòm 1- Máng chứa 2- Quạt gió 3- Vật nặng (sắt đá) 4- Hạt tốt 5- Hạt lửng 6- Tạp chất nhẹ Quạt hòm (hình 5.24) là công cụ làm sạch và phân loại tương đối tốt trong điều kiện ở nước ta. Quạt có thể quay bằng tay hay động cơ để tạo ra luồng gió mạnh thổi vào dòng hạt rơi tự do làm cho chúng phân li theo các quĩ đạo rơi khác nhau vào các phễu hứng sản phẩm. Vật nhẹ như bụi, lá, tạp bẩn nhỏ, hạt lép v.v... bị thổi ra phía trước theo luồng khí. Mức độ phân loại và làm sạch phụ thuộc tốc độ luồng gió và độ mở cửa điều chỉnh vào. Máy làm sạch LS-2 Máy làm sạch LS-2 (hình 5.25) do Viện Cơ điện Nông nghiệp thiết kế, vừa sàng lúa vừa quạt sạch, tách rơm vụn khỏi lúa. 1 6 5 4 3 2 121 Hình 5.25 Máy làm sạch LS-2 1- Băng chuyền hạt, 2- Trục xoắn rải hạt, 3- Sàng nghiêng, 4- Quạt gió 5- Băng chuyền hạt tốt, 6- Cửa ra hạt lửng, 7- Cửa thổi tạp chất nhẹ Máy gồm có các bộ phận chính sau: - Sàng nghiêng - Quạt gió - Băng chuyền hạt lên máng - Trục xoắn rải hạt trên sàng - Các máng thu tạp chất, cửa ra các loại hạt. - Khung với động cơ, bộ truyền đai lắp trên nó. Máy làm việc như sau: Hỗn hợp hạt được đưa vào đầu dưới của băng chuyền cánh lùa và được chuyển lên máng chứa hạt. Trục xoắn ở đáy máng có nhiệm vụ rải đều lớp hạt trên sàng nghiêng. Khi hạt lọt qua sàng, nhờ máng hứng mà hạt trượt xuống, rơi tự do trong dòng khí do quạt gió tạo ra. Rơm vụn và tạp chất lớn trượt trên mặt sàng đổ vào máng trượt nghiêng rồi rơi xuống sân. Nhờ dòng khí, hạt cùng các tạp chất nhỏ được phân thành 3 loại: hạt chắc tốt rơi ở cửa I. Hạt lửng rơi xuống gầm máy qua cửa II. Còn trấu bụi, rơm được thổi qua cửa III. Ở cửa I, hạt chắc tốt có số lượng lớn sẽ được băng chuyền xoắn đưa ra ngoài. 5.3.5. Máy sấy nông sản 5.3.5.1. Các phương pháp sấy Phơi sấy là giai đoạn quan trọng bảo đảm chất lượng sản phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch, đặc biệt với các loại sản phẩm cần bảo quản lâu. Nói chung độ ẩm của hạt từ 20% trở lên là dễ bị nấm mốc hoặc hư hỏng, trong bảo quản cần hạ độ ẩm hạt < 14%. Hiện nay ở nước ta, việc phơi sấy lợi dụng ánh nắng tự nhiên là chủ yếu, song nhiều loại sản phẩm và do tính thời vụ, điều kiện khí hậu nên việc sử dụng các loại máy sấy là một yêu cầu bức thiết. Sấy có các phương pháp sau: - Sấy tự nhiên (bằng ánh nắng mặt trời). 1 2 3 4 5 6 7 122 - Sấy nhân tạo, bao gồm + Sấy đối lưu + Sấy bức xạ + Sấy bằng dòng điện cao tần + Sấy thăng hoa Căn cứ vào kết cấu của thiết bị sấy, ta có các loại sấy vỉ ngang, sấy buồng, sấy thùng quay, sấy băng tải, sấy tháp, sấy phun, sấy khí động, sấy tầng sôi. Mỗi loại vật liệu sấy thích hợp với một số phương pháp sấy và thiết bị sấy nhất định. Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị sấy cần phải dựa trên cơ sở đặc điểm của vật liệu, thiết bị, nguồn vốn, nguồn nhiệt. Ví du, khi sấy các loại thóc, ngô, cà phê có thể dùng thiết bị sấy vỉ ngang, sấy tháp, sấy thùng quay. Khi sấy các loại rau, quả như long nhãn, dứa, xoài, hồng, rau gia vị nên dùng thiết bị sấy buồng. Khi sấy các vật liệu dạng bột nên dùng thiết bị sấy phun, v.v... Nguồn năng lượng để sấy có thể là điện hoặc các loại nhiên liệu như dầu, ga, than, củi, các loại phụ phẩm trong nông nghiệp như trấu, bã mía, mùn cưa. Ngoài ra có thể sử dụng các dạng năng lượng khác như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng khí sinh học. 5.3.5.2. Thiết bị sấy vỉ ngang Thiết bị sấy vỉ ngang có kết cấu tương đối đơn giản, được ứng dụng rộng rãi để sấy hạt nông sản như thóc, ngô, đậu đỗ. Các bộ phận chính của thiết bị gồm có: Lò đốt, bin sấy, quạt và bộ phận điều chỉnh nhiệt độ. - Lò đốt dùng để tạo nhiệt cho quá trình sấy, thường là lò đốt than đá hoặc phụ phẩm nông nghiệp, được xây bằng gạch chịu lửa. - Bin sấy dùng để chứa vật liệu sấy, xung quanh được xây bằng gạch hoặc làm bằng thép lá. Sàn sấy được làm bằng thép lá đột lỗ. Đường kính lỗ tùy thuộc vào kích thước hạt, sao cho vừa thoáng gío, vừa không lọt hạt xuống phía dưới. Kích thước của bin sấy phụ thuộc năng suất của thiết bị sấy. - Quạt gío có nhiệm vụ hút và đẩy không khí nóng vào bin sấy. Quạt gió được chế tạo bằng vật liệu chịu được nhiệt độ tương đối cao và được truyền động bằng động cơ điện hoặc động cơ điêden. Hình 5.26 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy sấy tĩnh vỉ ngang Nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy tĩnh vỉ ngang như sau: Hạt nông sản như thóc, ngô,... được đổ trên sàn trong bin sấy. Không khí nóng từ lò đốt được quạt thổi vào phía dưới bin sấy, đi xuyên qua lớp hạt, làm cho hạt nóng lên bay hơi ẩm 123 và khô dần. Không khí nóng giảm nhiệt độ, bay lên trên và thoát ra ngoài. Nhiệt độ của không khí nóng được điều chỉnh theo yêu cầu của công nghệ sấy. Qúa trình sấy kết thúc khi sản phẩm đạt độ ẩm bảo quản. 5.3.6. Máy xay xát gạo 5.3.6.1. Nhiệm vụ, yêu cầu kỹ thuật và phân loại Nhiệm vụ của máy xay xát lúa gạo là để tách vỏ trấu và vỏ cám ra khỏi hạt thóc và phân li các sản phẩm với nhau. Yêu cầu kỹ thuật của máy xay xát lúa gạo như sau: - Máy phải xay sạch (không còn lẫn thóc trong gạo) - Tỷ lệ gạo nguyên phải cao - Sản phẩm xay xát không nóng quá 500C - Máy xay xát được nhiều loại thóc. Các sản phẩm sau khi xay (trấu, cám, gạo) không lẫn lộn nhau - Năng suất cao, chi phí năng lượng riêng nhỏ, sử dụng đơn giản, an toàn Ở nước ta dùng nhiều loại máy xay xát lúa gạo khác nhau. Căn cứ theo quy trình làm việc, chia ra: Máy xay xát một giai đoạn và máy xay xát hai giai đoạn. Hiện nay, chủ yếu dùng máy xay xát hai giai đoạn. Thường các máy xay xát đặt tĩnh tại theo điểm dân cư. Ở các vùng trồng lúa tập trung còn có những nhà máy xay xát quy mô lớn, năng suất hàng vạn tấn/năm. 5.3.6.2. Máy xay xát hai giai đoạn Qui trình của máy xay xát hai giai đoạn gồm: - Giai đoạn 1: bóc vỏ trấu, phân li trấu và gạo lứt. - Giai đoạn 2: Bóc vỏ cám, phân li cám và gạo trắng. Cấu tạo chung của máy xay xát hai giai đoạn gồm có: Cụm “xay” để bóc vỏ trấu và tách trấu riêng và cụm “giã” để bóc cỏ cám và tách cám riêng. Ngoài ra còn có các bộ phận: Truyền động, quạt gió, khung và thùng chứa thóc, các bộ phận kiểm tra, điều chỉnh. Bộ phận làm việc chủ yếu của máy là buồng bóc vỏ trấu (buồng xay) và buồng bóc vỏ cám (buồng xát). Quá trình bóc vỏ trấu thực hiện nhờ việc chà xát giữa hai quả lô quay (ngoài quả lô được bọc cao su cứng) ngược nhau và thóc bị lôi cuốn qua khe hở nhỏ giữa hai quả lô đó. Việc chà xát để bóc vỏ trấu phụ thuộc khe hở giữa hai quả lô và áp lực giữa chúng cũng như hệ số ma sát bề mặt quả lô và thóc. Việc tách trấu ra ngoài thực hiện nhờ một quạt gió kiểu thổi để đẩy trấu và bụi đất (nhẹ hơn gạo lứt) ra ngoài máy, còn gạo lứt được đưa đến buồng xát gạo. Quá trình bóc vỏ cám xảy ra trong buồng xát gạo. Cấu tạo của buồng này gồm có một trục xoắn để chà xát và đẩy gạo dọc trục ra ngoài, còn cám rơi qua máng sàng lỗ dài bao phía dưới buồng xát. Dẫn động cho các máy xay xát thường dùng động cơ điện hay động cơ điêden. 124 Hình 5.27 Sơ đồ máy xay xát 2 giai đoạn 1- Máng chứa thóc 2- Quả lô cao su 3- Quạt gió 4- Trục xoắn giã gạo 5- Tay điều chỉnh cửa ra gạo 6- Gạo trắng 7- Cám 8- Cửa ra trấu Hình 5-27 là sơ đồ kỹ thuật loại máy xay xát lúa gạo hai giai đoạn làm việc theo chiều đứng (thóc đi trên xuống và gạo ra ở phía dưới). Ở một số kiểu máy khác thì từ bộ phận xay sang bộ phận xát có một băng chuyền trục xoắn để vận chuyển gạo lứt. Ưu điểm của máy xay xát 2 giai đoạn là cho chất lượng gạo tương đối tốt, tỷ lệ gạo/thóc cao và gạo, cám sạch (không lẫn trấu) do đó loại máy này đang được sử dụng phổ biến trong nông thôn. Nhược điểm chính của loại này là cấu tạo phức tạp (nhiều chi tiết) và một số bộ phận chóng mòn, hỏng phải thay thế thường xuyên như cặp quả lô cao su, các dây đai, ổ đỡ v.v... Máy có thể làm việc riêng từng bộ phận (xay không xát hoặc xát không xay) hay vừa xay vừa xát. 1 2 3 4 5 6 7 130 Chương 6 NĂNG LƯỢNG MỚI 6.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, không có khí thải, không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, nguồn năng lượng này có những nhược điểm cơ bản là phân tán (mật độ năng lượng rất thấp) và không liên tục (không thu được vào ban đêm và lúc trời mưa). Việt Nam là nước nhiệt đới có số giờ chiếu nắng cao. Vì vậy, sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để bổ sung cho nhu cầu năng lượng chung của đất nước sẽ có tầm quan trọng rất lớn. Từ Nghệ Tĩnh trở ra có từ 1700 đến 1800 giờ nắng/năm và tổng lượng bức xạ có từ 100 đến 120 kcal/cm2. năm. Từ Đà Nẵng trở vào có từ 2000 đến 2500 giờ nắng/năm với tổng lượng bức xạ tương đối cao, từ 125 đến 175 kcal/cm2.năm. Các biện pháp thu năng lượng mặt trời phục vụ sản xuất, đời sống là: - Chuyển bức xạ mặt trời sang nhiên liệu thực vật nhờ thực hiện quá trình quang hợp (trồng cây làm chất đốt, trồng cây lấy hạt có dầu, ...) - Chuyển bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ các pin mặt trời (sử dụng hiệu ứng quang điện biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành dòng điện). - Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng (hiệu ứng quang nhiệt), đây là phương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời. Trong nhiều thiết bị, hiệu suất chuyển đổi có thể đạt trên 60%. Nhiệt năng tạo thành có thể sử dụng cho nhiều mục đích như nấu nướng, đun nóng nước hay các chất lỏng khác, sấy các sản phẩm, làm lạnh và điều hòa không khí. 6.1.1. Điện năng từ năng lượng mặt trời Việc tranh luận về những nguồn năng lượng mới để bổ sung vào những dạng năng lượng đã biết càng trở nên sôi động trong những năm gần đây, khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ ngày càng khan hiếm. Người ta đang mong đợi vào những dạng năng lượng sạch, có tiềm năng lớn nhưng ít được khai thác. Điện mặt trời có thể đáp ứng những mong đợi đó, do có tính đơn giản của hệ thống, không cần chăm sóc bảo dưỡng, không làm hại môi trường và khả năng ứng dụng rộng rãi. Gần đây xuất hiện nhiều hệ thống pin mặt trời đã được thử nghiệm, làm việc chắc chắn đối với các ứng dụng khác nhau trong một phổ công suất rộng sau đây: - Các máy phát mini cho đồng hồ và máy tính bỏ túi ở vùng mili oát. - Các hệ thống cung cấp điện nhỏ ở gia đình hoặc lều trại ở vùng Oát. 131 - Các hệ thống cung cấp điện cho làng xã hoặc các hệ thống bơm nước trong vùng kiloOát. - Các trạm phát điện mặt trời liên kết với lưới điện trong vùng mêgaOát. Tất cả các hệ thống này phụ thuộc vào sự cung cấp năng lượng mang tính thay đổi của mặt trời nên việc đánh giá tính kinh tế theo vùng sử dụng có ý nghĩa quyết định. Nhiều nơi trên thế giới đang hình thành các khu nhà, thành phố sử dụng năng lượng mặt trời. Ví dụ, ở Ota, thành phố nhỏ nằm phía Nam thủ đô Tokyo của Nhật Bản, tất cả 550 căn nhà đều có mái là các panen pin mặt trời nối với hệ thống ắc quy, đủ cung cấp điện cho cả ngày và đêm. Ở Anh, đã xây dựng các khu nhà sinh thái chỉ dùng năng lượng tự nhiên, và đang có đề án xây dựng khu toà tháp chỉ dùng năng lượng mặt trời cho hàng nghìn cư dân sinh sống. 6.1.1.1 Nguyên lý làm việc của pin mặt trời Hình 6.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Mặt trời lớp p lớp n tiếp xúc p-n Bước 4 phôton tải điện điện trở tự do điện tích dương điện tích âm Bước 1 Bước 2 Bước 3 dương tính lớp n lớp p lớp n tiếp xúc p-n lớp p âm tính Prôton Điện tử Điện tử tự do Lỗ trống 132 Nhờ hiệu ứng quang học đã biết, năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện trong pin mặt trời. Cơ sở của nguyên lý là các cơ cấu vật lý điện tử trong kỹ thuật transitor của vật liệu bán dẫn. Pin silic tinh thể là một đĩa dày khoảng 250µm có pha thêm Bor, mặt trước của đĩa chứa phosphor khuếch tán với độ sâu khoảng 0,3µm phosphor tác động trong lớp mỏng silic tạo ra một lượng dư electron dẫn, nhờ đó lớp này trở thành lớp dẫn. Ở phần còn lại của đĩa được tạo ra một lượng dư lỗ trống, do đó trở thành lớp dẫn p. Mặt trước của đĩa silic có tiếp xúc dạng ngón với kim loại, nhờ đó có thể cho ánh sáng đi vào nhiều nhất. Mặt sau tiếp xúc với kim loại trên toàn bề mặt. Bề mặt được phủ một lớp chống phản xạ để giữ hao tổn phản xạ ở giá trị nhỏ. Ánh sáng mặt trời chiếu vào tạo ra các mặt electron-lỗ trống. Mật độ các cặp electron-lỗ trống phụ thuộc vào cường độ và sự hợp phổ của ánh sáng chiếu vào. Các điện tử và lỗ trống khuếch tán qua tinh thể và được tách ra nhờ tương tác của vùng phân cách. Các electron được dẫn về mặt trước còn các lỗ trống được dẫn về sau. Hình 6.2. Cấu tạo của một tấm pin mặt trời Dòng quang điện phụ thuộc vào: - Số cặp electron- lỗ trống được tạo ra + Sự hấp thụ ánh sáng + Sự hụt năng lượng giữa lớp hóa trị và lớp dẫn (Eg) - Sự tách các cặp electron- lỗ trống nhờ điện trường nội tại. + Độ dài khuếch tán + Hiệu suất góp phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu. Sự biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện không đạt được 100% do còn có những hao tổn sau: Hao tổn phản xạ, năng lượng không đủ của các phôton chiếu tới, hao tổn nhiệt bởi các phôton có năng lượng quá cao, sự liên kết lại của các cặp electron-lỗ trống và hao tổn điện trong pin. Hiện nay đối với các pin mặt trời silic tinh Lớp các pin mặt trời đã hàn ghép điện Tấm keo EVA Tấm kính phía trên Tấm keo EVA Tấm đáy 133 thể đã đạt được trong phòng thí nghiệm hiệu suất trên 20%, trong chế tạo hàng loạt đạt hiệu suất khoảng 14% với điện áp hoạt động 0,5 vôn và dòng điện 30mA/cm2. Để đạt được điện áp cao cần phải nối tiếp nhiều mảng pin với nhau thành một panen pin mặt trời với điện thế tiêu chuẩn. 6.1.1.2. Các dạng pin mặt trời Có thể phân chia khái quát thành hai loại pin mặt trời, đó là loại lớp dày và loại lớp mỏng. * Pin mặt trời lớp dày: Trên cơ sở nghiên cứu, các pin mặt trời lớp dày chế tạo từ silic tinh thể đang được phổ biến rộng rãi. Người ta chia nó làm hai loại: Pin mặt trời silic đơn tinh thểvà pin mặt trời silic đa tinh thể. Các pin mặt trời silíc đơn tinh thể được chế tạo hàng loạt, có hiệu quả cao. Đối với một pin mặt trời ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 25 0C, công suất bức xạ G = 1000W/m2, phổ bức xạ/khối lượng không khí = 15) có hiệu suất khoảng 13-16%. Kỹ thuật chế tạo pin mặt trời silic đa tinh thể được mô tả như sau: silic lỏng, tinh thể được rót và làm lạnh thành khối có chiều dài cạnh đến 40cm. Nhờ đó tạo ra một số lượng giới hạn các tinh thể được định hướng. Các khối sau đó được cắt tương ứng với hướng tinh thể có chiều dài 10-15cm và tiếp tục thành đĩa (tấm) có chiều dày 0,4mm. Pin silic đa tinh thể có quá trình chế tạo đơn giản và có chi phí giảm thiểu nên có hiệu suất quang điện thấp, chỉ đạt 10-12%. Hình 6.3 Mặt cắt panen pin mặt trời Tấm kính phủ phía trên Tấm keo EVA Lớp pin mặt trời Tấm keo EVA Tấm đáy 134 * Pin mặt trời lớp mỏng Quá trình chế tạo các pin mặt trời cực mỏng từ silic vô định hình có chiều dày lớp khoảng 1µm, được gọi là pin mặt trời lớp mỏng. Nhờ quá trình tách pha khi ở 1500C được các lớp silic vô định hình dày khoảng 1µm. Do có tính chất hấp thụ đặc biệt so với silic tinh thể mà các lớp vô định hình cực mỏng có thể hấp thụ hoàn toàn các phôton. Đối với pin mặt trời chế tạo từ chất bán dẫn liên kết, các lớp hoạt tính của nó là hỗn hợp của các vật liệu bán dẫn khác nhau, thí dụ galli-arsen, cadmiunfid-đồng sunfid, đồng- indi-selen hoặc silic-germani, trong đó pin mặt trời lớp mỏng chế tạo từ bán dẫn liên kết đồng- indi-selen (CiS) có triển vọng phát triển nhất. Ưu thế cơ bản so với silic tinh thể (lớp dày) của loại này là có kết cấu lớp rất mỏng (2 đến 3µm), điều này cho khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn. 6.1.1.3 Cấu tạo chung một hệ thống điện mặt trời Một hệ thống pin mặt trời cần có các bộ phận phù hợp sao cho năng lượng điện tạo ra có thể được chuyển đổi, lưu trữ và sử dụng một cách tối ưu. Cấu tạo chung một hệ thống pin mặt trời bao gồm: - Nguồn điện mặt trời (từ một hay nhiều môđun) - Acqui - Bộ điều chỉnh nạp - Phụ tải Hình 6.4 Cấu tạo của một hệ thống điện mặt trời (12V, một chiều) Sử dụng hệ thống điện mặt trời rất có ý nghĩa trong những điều kiện nhất định: - Phù hợp các vùng có thời gian nắng nhiều trong năm. - Ở những nơi không có lưới điện. 6.1.2. Nhiệt năng từ năng lượng mặt trời (quang nhiệt) Biến đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng là một phương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời. Sự chuyển đổi năng lượng mặt trời có thể thực hiện với hiệu suất cao nhờ các bộ góp nhiệt (các colector) ở nhiệt độ thấp và cần chi phí chế tạo không lớn. Trong nhiều thiết bị, hiệu suất chuyển đổi có thể đạt trên 135 60%. Nhiệt năng tạo thành có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như nấu nướng, đun nóng nước hoặc các chất lỏng khác, sấy nông sản hoặc sản phẩm công nghiệp, làm lạnh hoặc điều hòa không khí. 6.1.2.1. Nguyên lý chuyển hóa quang nhiệt Các biện pháp nhằm chuyển bức xạ mặt trời sang nhiệt năng gọi là quá trình chuyển hóa quang nhiệt. Quá trình này dựa vào một trong hai nguyên lý sau: * Nguyên lý hội tụ bức xạ tiêu điểm, gồm hội tụ theo điểm và hội tụ theo đường - Loại hội tụ theo điểm là các thiết bị dùng gương cầu lõm có dạng paraboloit tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao, nhờ vậy tập trung ở tiêu điểm nhiệt độ từ vài trăm đến trên 3000 0C. Người ta đã ứng dụng và đưa vào sản xuất một loại bếp kiểu này nhưng không thuận tiện vì phải đun nấu ngoài trời nắng. Tuy nhiên đối với những người hoạt động trên sa mạc thì dùng bếp kiểu này rất thuận lợi và có hiệu quả cao. - Loại hội tụ theo đường là các thiết bị dùng gương hình lòng máng dài, mặt cắt ngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong làm hội tụ bức xạ mặt trời theo đường tiêu cự. Nếu tại đường tiêu cự đặt một ống dài cho nước đi qua thì nước sẽ được đun nóng lên. Thiết bị chuyển hóa quang nhiệt làm việc theo nguyên lý hội tụ ít được phổ biến do có một số nhược điểm sau: + Mặt phản xạ nhanh bị mờ sau thời gian làm việc do đó hiệu suất giảm nhanh. + Phải thường xuyên xoay mặt phản xạ theo hướng mặt trời, nếu dùng thiết bị tự động thì giá thành cao, xoay thủ công không thuận tiện. + Thiết bị chỉ thu được phần trực xạ (các tia nắng trực tiếp) còn phần tán xạ thì không thu được, nếu khi bị mây che khuất thì thiết bị không thu được năng lượng. * Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính Bộ phận thu nhiệt là một hộp có phần nắp đậy là vật liệu trong suốt như kính hoặc vật liệu tổng hợp (màng mỏng polyetilen hoặc nhựa cứng), mặt đáy là kim loại được bôi đen (có thể dùng sơn đen trộn với bồ hóng hoặc vật liệu tương tự để tạo mặt đen không bóng). Khi bức xạ mặt trời chiếu qua mặt trong suốt thì hầu như toàn bộ phổ bức xạ xuyên qua vào trong hộp làm nóng bề mặt bôi đen. Mặt đen hấp thụ nhiệt và phát ra bức xạ nhiệt, nếu không có nắp trong suốt ngăn lại thì bức xạ nhiệt sẽ tản ra môi trường và nhiệt độ của mặt hấp thụ sẽ ổn định ở nhiệt độ không cao là 70 0C. Nhờ có nắp trong suốt ngăn bức xạ có bước sóng dài nên nhiệt độ trong hộp tăng cao dần. Nếu tăng số nắp trong suốt lên hai hoặc ba lần thì nhiệt độ trong hộp càng cao. Hộp thu nhiệt kiểu này thu được cả tán xạ khi trời có mây, không mưa. 136 Tùy thuộc vào loại vật liệu cần đốt nóng mà kết cấu dòng chuyển động của chất mang nhiệt khác nhau. Đối với chất lỏng, dòng chuyển động có thể được thiết kế như trên hình 6-5. Đối với chất mang nhiệt là không khí có thể bố trí dòng khí đi qua cả phía trên và phía dưới. Nguyên lý bẫy nhiệt do đó có thể được ứng dụng để sấy khô sản phẩm nông nghiệp hoặc để đun nước nóng. Hình 6.5 Sơ đồ nguyên lý hộp thu nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính (2 lớp kính). 1- Lớp kính dưới; 2- Bề mặt đen thu nhiệt; 3- lớp kính trên; 4- Vật liệu cách nhiệt 5- Các đường ống dẫn chất lỏng mang nhiệt; 6- Vỏ đáy hộp thu nhiệt. Để sấy sản phẩm người ta cho không khí đi qua hộp thu nhiệt. Không khí tiếp xúc với các phần tử hấp thụ được làm nóng lên và được đưa vào buồng sấy nhờ đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức. Để tăng nhiệt độ trong bộ góp nhiệt không khí có thể áp dụng các biện pháp làm tăng diện tích hấp thụ nhiệt như dùng mặt có dạng uốn sóng, có lá thu nhiệt,... Để đun nước, có thể cho nước chảy qua mặt dưới của bề mặt hấp thụ, có thể là giàn ống có gắn các cánh hấp thụ nhiệt. 6.1.2.2. Cấu tạo, nguyên tắc làm việc của một số thiết bị chuyển đổi quang nhiệt * Các bộ góp nhiệt phẳng Bộ góp nhiệt hay còn gọi là colector là bộ phận cơ bản của mọi thiết bị dùng năng lượng mặt trời sang các dạng năng lượng hữu ích khác. Colector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng là phẳng. Mặt phẳng này đồng thời là mặt hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng bức xạ. Cấu trúc colector phẳng rất đơn giản, chỉ là một mặt phẳng bôi đen đạt trên một lớp cách nhiệt. Do tính chất hấp thụ ánh sáng của vật đen, nó có thể nóng lên đến 60 - 70 0C. Sau đó nếu vẫn tiếp tục được chiếu sáng, mặt hấp thụ sẽ không nóng lên nữa, nhiệt độ cao nhất có thể đạt được gọi là nhiệt độ cân bằng. Sở dĩ nhiệt độ dừng lại ở nhiệt độ cân bằng là do khi nóng lên chính mặt hấp thụ lại trở thành vật bức xạ hồng ngoại đồng thời lại còn truyền nhiệt ra môi trường (nếu có nhiệt độ thấp hơn) theo cơ chế dẫn nhiệt và đối lưu. Như vậy ở nhiệt độ cân bằng năng lượng nhận vào đúng bằng năng lượng thải ra. Muốn tăng nhiệt độ cân bằng hoặc phải 1 2 3 4 5 6 137 tăng mật độ dòng năng lượng tới hoặc giảm hao tổn nhiệt năng bằng cách đặt lên mặt bôi đen một vài lớp che trong suốt thích hợp. Các lớp che trong suốt cho bức xạ mặt trời đi qua dễ dàng song lại cản bức xạ hồng ngoại phát ra từ vật do đó có tác dụng như là một bẫy nhiệt. Nhờ bố trí các nắp che trong suốt mà nhiệt độ cân bằng có thể lên tới 90 - 100 0C. Ngoài ra để tăng hiệu quả của mặt hấp thụ có thể uốn thành dạng gợn sóng hoặc sử dụng chất bôi đen đặc biệt gọi là chất hấp thụ chọn lọc. Các loại mặt hấp thụ này sẽ hấp thụ rất mạnh bức xạ có bước sóng thuộc giả i phổ ánh sáng mặt trời song lạ i bức xạ hồng ngoại ít hơn nhiều so với mặt hấp thụ bôi đen bằng vật liệu thông thường ở cùng nhiệt độ. Do đó cân bằng năng lượng nằm ở nhiệt độ khoảng 170 - 180 0C. Nhìn chung colector phẳng có nhiệt độ làm việc không cao nhưng rất dễ chế tạo và có giá thành rẻ, sử dụng dễ dàng, làm việc được cả trong điều kiện bức xạ trực tiếp hay khuếch tán. *. Bộ góp nhiệt zic-zắc Để khắc phục nhược điểm của colector phẳng người ta đã thiết kế loại colector zic zắc gồm các lá kim loại bôi đen ghép lại với nhau. Nhờ vậy colector zic zắc có thể bẫy hầu hết các tia nắng kể cả lúc sáng sớm và khi chiều muộn, do đó nó có thể cấp nhiệt lâu hơn theo thời gian trong ngày. Cấu trúc của colector zic zắc làm giảm mạnh dòng nhiệt đối lưu làm giảm hao tổn nhiệt và tạo điều kiện truyền nhiệt lớn nhất cho chất mang nhiệt. *. Các bộ góp nhiệt hội tụ Khi mặt nhận là mặt phản xạ (không phải là mặt hấp thụ) tập trung bức xạ về một điểm (vùng hẹp) hoặc một dải thì đó là một colector hội tụ. Muốn sử dụng năng lượng bức xạ cần đặt một vật hấp thụ tại vùng tập trung ánh sáng. Người ta thường gọi mặt nhận là bộ phản xạ hay bộ hội tụ, còn vật hấp thụ là bộ nhận, lúc đó colector hội tụ được hiểu là tổ hợp của bộ nhận và bộ hội tụ. Bộ hội tụ đảm nhận việc tập trung dòng năng lượng còn bộ nhận chuyển đổi dòng năng lượng thành dạng năng lượng thích hợp. Colector với bộ hội tụ dạng mặt tròn xoay có độ hội tụ cao, có nghĩa là có tỉ số giữa diện tích qui phẳng của mặt hội tụ với diện tích hấp thụ của mặt nhận cao. Do đó cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng ngàn độ, song như đã phân tích loại này khó chế tạo và sử dụng. Colector trụ có mặt phản xạ là mặt trụ có độ hội tụ trung bình, tập trung bức xạ thành một dải sáng với nhiệt độ khoảng 350 - 500 0C. Colector trụ có rất nhiều ưu điểm: dễ chế tạo và qui mô lớn. Nếu colector đủ dài có thể đặt theo một hướng xác định, không đòi hỏi điều chỉnh thường xuyên, phần mất mát năng lượng không đáng kể. Hiện nay có nhiều phương án sử dụng năng lượng mặt trời trên qui mô lớn đã đề 138 cập đến colector hội tụ. Đặc biệt để đun nước, colector hội tụ dùng rất thích hợp và cho hiệu suất cao (60 - 70%), vì có thể sử dụng dễ dàng hiệu ứng lồng kính với bộ nhận. Theo số liệu thực nghiệm cho thấy với một colector trụ có diện tích hứng nắng qui phẳng 1m2 vào ngày nắng trung bình có thể đun sôi 3 lít nước trong thời gian 20 - 30 phút. Thiết bị có thể hoạt động từ 8 giờ sáng đến 16 giờ chiều và đạt năng suất 50 - 60 lít/ngày. 6.1.2.3. Ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy nông sản *. Đặc tính của các collector không khí Để sử dụng năng lượng mặt trời trong lĩnh vực sấy khô sản phẩm, năng lượng mặt trời thường được chuyển đổi thành dòng nhiệt năng của chất mang nhiệt là không khí. Không khí mang nhiệt được đưa đến các bộ phận sấy (trực tiếp hoặc gián tiếp) để làm khô sản phẩm. Đảm nhận việc trao nhiệt là các collector không khí. Các collector không khí được thiết kế khác nhau sẽ cho hiệu suất khác nhau. Hiệu suất của collector không khí phụ thuộc vào vật liệu, khả năng hấp thụ, độ cách nhiệt và do đó sẽ phụ thuộc giá trị hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt k, nếu k < 5 w/m2 sẽ cho hiệu suất cao với khoảng nhiệt độ rộng. Với nhiệt độ thấp của dòng không khí, các collector đơn giản rất phù hợp với việc sấy hạt nông sản. Các kiểu máy sấy loại này có hiệu suất cao ứng với độ chênh lệch nhiệt độ và độ ẩm môi trường nhỏ. Các collector có lớp kính kép, vỏ được che phủ, thậm chí có cách nhiệt chân không cũng không thể hoạt động tốt hơn trong dãy nhiệt độ thấp do việc mất mát nhiệt. Tuy nhiên, chúng lại làm việc có hiệu quả hơn trong khoảng nhiệt độ cao. Do đó các loại collector phức tạp, đắt tiền rất phù hợp cho việc làm nóng ngoài công việc sấy hạt. Đối với việc sấy hạt nông sản, theo các kết quả nghiên cứu có thể chấp nhận được hao tổn áp suất dòng khí qua collector ở khoảng 30- 40mm cột nước. *. Sấy bằng năng lượng mặt trời Ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy khô đã được sử dụng từ lâu đời. Sản phẩm thường được rải thành lớp mỏng phơi dưới nắng mặt trời. Ban ngày sản phẩm được đảo trộn định kỳ, ban đêm được che phủ nhằm đạt được độ khô đồng đều và rút ngắn thời gian sấy. Phương pháp này thường kéo dài từ 2 đến 8 ngày. Sản phẩm sau khi sấy thường bị nhiễm bẩn và bị vi khuẩn, nấm, mốc xâm nhập. Việc sấy bằng năng lượng mặt trời trong hộp được che đậy sẽ cải thiện được hiệu suất sấy và chất lượng sản phẩm cũng như tiết kiệm lao động. Bộ phận sấy bằng năng lượng mặt trời đơn giản là một hộp được che bằng tấm nắp trong suốt, tuy nhiên trong nhiều trường hợp bộ phận sấy kiểu này không tạo đủ cường độ sấy. 139 Nước ngọt ra Nước biển vào Mực nước Khay chứa Lớp cách nhiệt Kính Sấy khô nhờ năng lượng mặt trời với dòng không khí đối lưu tự nhiên. Trong hệ thống sấy kiểu hút, vật liệu sấy được sử dụng như một collector. Không khí nằm giữa những lỗ hổng của sản phẩm của lớp trên cùng được làm nóng lên. Một phần năng lượng của không khí đi qua sản phẩm làm bốc hơi nước. Do nhiệt độ ở cửa ra của không khí mặc dù đã giảm song vẫn còn cao hơn nhiệt độ môi trường nên được hút qua ống thải. 6.1.2.4. Sử dụng năng lượng mặt trời để chưng lọc nước mặn Người ta ước lượng mức sử dụng nước ngọt cho sinh hoạt ở nông thôn các vùng nhiệt đới là 20- 50 lít/ ngày/ người. Việc chưng lọc nước (ngọt và mặn) có thể góp phần vào việc cung cấp nước sạch sinh hoạt cho các vùng khó khăn. Hình 6.6 Sơ đồ nguyên lý thiết bị lọc nước bằ g năng lượng mặt trời kiểu 2 mái Phương pháp phổ biến cho các thiết bị lọc nước là sự bay hơi, thẩm thấu ngược chiều. Thiết bị lọc nước mặn đã được biết đến khoảng trên 100 năm nay với rất nhiều kết quả lý thuyết và thực hành. Việc lọc nước mặn bằng năng lượng mặt trời dựa trên nguyên lý bay hơi và ngưng đọng chất lỏng, (hình 6.6). Nhiệt lượng chuyển pha nước trong cả hai trường hợp là như nhau và bằng 2430 kJ/kg. Năng lượng bức xạ mặt trời đưa đến một phần được hấp thụ bởi thảm, phần hao tổn do đối lưu, phần phản xạ và một phần hao tổn dẫn nhiệt. Thất thoát nhiệt chủ yếu là bức xạ nhiệt từ mặt nước tới nắp bể lọc và bức xạ phản xạ từ đáy nước tới nắp hầm. Mất nhiệt do dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt tới môi trường xung quanh. Hiệu suất của bể lọc nước mặn bằng năng lượng mặt trời khoảng 30%. 140 Hình 6.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị lọc nước kiểu bấc thấm Kiểu bể lọc một hố phẳng là một kiểu thiết kế phổ biến. Nước được làm nóng bằng các tia mặt trời chiếu vào, bốc hơi và ngưng tụ lại dưới mái che trong suốt. Nước ngưng chảy theo mái, rơi xuống rảnh gom và được bơm lên bể chứa. Độ sâu của nước ở trong hố là 3- 5cm. Với kiểu thiết bị này lượng nước được lọc tính cho 1m2 hấp thụ nhiệt là 3 lít/ngày... Thiết bị bốc hơi bằng năng lượng mặt trời kiểu bấc thấm hấp thụ năng lượng mặt trời tốt hơn, hoạt động ở nhiệt độ cao hơn và có tốc độ lọc nước cao hơn 5 lit/ngày. m2 . 6.2. NĂNG LƯỢNG TỪ VẬT LIỆU SINH HỌC - BIOM ASS 6.2.1 Khái niệm về Biomass Việc sử dụng năng lượng từ Biomass như gỗ, củi khô, cây cỏ, rơm rạ, phân khô... đã biết đến từ lâu. Tuy nhiên Biomass đã bị quên lãng do sự lấn át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng cả về phương diện kỹ thuật, công nghệ lẫn tính kinh tế. Theo lý thuyết, năng lượng hữu ích được lấy ra từ khối lượng Biomass trên trái đất gấp khoảng 6 lần nhu cầu năng lượng hiện nay trên thế giới. Tuy nhiên để có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng năng lượng từ Biomass là một vấn đề lớn và lâu dài. Hiện Năng lượng mặt trời Tấm phủ Máng chứa Cách nhiệt Bậc thấm Tấm hấp thụ nhiệt Ống phân phối nước Nước vào Nước ngọt Nước thải 141 nay sản xuất năng lượng từ những chất thải hữu cơ chỉ có ý nghĩa bổ sung vào nguồn năng lượng chính (dầu mỏ, khí đốt và than đá) và có ý nghĩa lớn hơn về môi trường. Nói chung Biomass có thể chế biến thành các dạng nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí, không kể đến việc sử dụng dạng trực tiếp làm củi đun, nhóm lò... Vật liệu phế thải từ công nghiệp chế biến gỗ, các xenlulô phế thải từ nông - lâm nghiệp có thể dùng để chế biến thành nhiên liệu rắn hoặc khí. Các cây có dầu như cọ dầu, lạc, đậu tương,... cây chứa đường hoặc tinh bột có thể làm nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu lỏng và dầu bôi trơn. Các chất thải hữu cơ của cây công nghiệp, thực phẩm hoặc cây xanh nhờ phân hủy yếm khí từng phần thành khí sinh vật - Biogas. Biogas có thể dùng để đun nấu hoặc sử dụng cho động cơ nhiên liệu khí sau khi đã tách lưu huỳnh. Nhờ chuyển đổi nhiệt nghèo ôxy, từ nhiên liệu rắn có thể sản xuất ra một hỗn hợp khí đốt có nhiệt trị tương đối thấp gọi là khí yếu. Nếu sử dụng ôxy trong không khí dẫn vào lò hóa khí thì tạo ra được một loại hỗn hợp khí có thành phần theo thể tích như sau: 10 - 15%H2 ; 20 - 30%CO; 2 - 15%CO2; 0 - 4%CH4 ; 40 - 60%N2 Nếu sử dụng không khí giàu ôxy hoặc ôxy tinh khiết để hóa khí nhiên liệu rắn thì có thể giảm hoặc loại bỏ thành phần Nitơ, thành phần "loãng" khí đốt sản xuất ra. 6.2.2. Sản xuất năng lượng từ Biogas 6.2.3.1 Khái niệm chung về Biogas Biogas là sản phẩm của quá trình lên men phân động vật và các loại phế thải hữu cơ khác. Thành phần chủ yếu của Biogas gồm khoảng 55-70% Metan, 45-30% CO2 và một phần nhỏ chất lưu huỳnh. Quá trình lên men vật liệu hữu cơ để tạo thành Biogas bao gồm ba gia i đoạn sau: - Giai đoạn thứ nhất: Dưới tác dụng của các enzym thủy phân, các chất hữu cơ phân tử lớn được phân giải thành các chất hữu cơ phân tử nhỏ (axit béo, axit amin). - Giai đoạn thứ hai: Dưới tác dụng của các vi khuẩn tạo axit, các chất hữu cơ phân tử nhỏ được phân giải thành các axit béo dễ bay hơi. - Giai đoạn thứ ba: Các axit béo dễ bay hơi được chuyển hóa thành khí Metan (CH4) và khí Cacboníc (CO2) nhờ các vi khuẩn sinh metan (Metanogen). Trong đó gia i đoạn thứ hai và giai đoạn thứ ba xảy ra dưới điều kiện yếm khí chặt chẽ (kín hoàn toàn), người ta chia quá trình lên men sinh metan thành hai pha như sau: 142 - Pha không kỵ khí (giai đoạn 1), các nguyên liệu để tạo Biogas được ủ ở bể hở. - Pha kỵ khí (gia i đoạn thứ hai và thứ ba), quá trình sinh metan xảy ra trong không gian kín hoàn toàn. Do vậy, để tạo thành Biogas người ta thiết kế hầm ủ cho cả hai pha của quá trình lên men (hai pha hỗn hợp hoặc có vách ngăn hai pha) hoặc ủ nguyên liệu ở bể hở khoảng một tuần cho pha không kỵ khí rồi mới chuyển sang hầm kín, như vậy sẽ giảm được thể tích của bể ủ kín. Sự tạo thành Biogas do hai nhóm vi khuẩn metanogen khác nhau đảm nhận, hoặc xảy ra ở 30-35 0C (mesophil) hoặc xảy ra ở 55-60 0C (thermophil). Trong cả hai trường hợp cần thiết phải làm nóng nguyên liệu. Bên cạnh yêu cầu bảo đảm thời gian phân hủy đủ dài để khai thác hết Biogas (không ít hơn 20 ngày) và giữ đúng độ pH ở khoảng trung tính còn yêu cầu nguyên liệu phải được giàn đều trong hầm phản ứng. Việc giàn đều nguyên liệu nhằm giữ đúng sự đối xứng sinh học giữa các vi khuẩn acetogen và metanogen cần thiết cho quá trình tạo thành Biogas. 6.2.3.2 Nguyên liệu để sản xuất Biogas Nguyên liệu để sản xuất Biogas có thể là phân động vật, cây cỏ, rơm rác, rau, củ, quả bỏ đi, phế thải hữu cơ ở các đơn vị sản xuất thực phẩm, các bếp ăn... Đối với sự phân hủy về mặt nguyên lý thì các vật liệu chứa nhiều nước sẽ phù hợp nhất. Nhiệt trị của Biogas khi đốt cháy giảm đi khi hàm lượng nước tăng. Việc thủy phân yếm khí xảy ra tốt nhất khi tỷ lệ C/N trong vật liệu nằm ở khoảng 30, vi khuẩn trong quá trình lên men sử dụng C nhanh hơn N đến 30 lần. Việc tận thu Biogas còn phụ thuộc mạnh vào loại vật liệu đưa vào phản ứng. Một số chất có thể không thủy phân được như trấu..., độ chứa N và C có thể thay đổi theo tuổi và điều kiện phát triển của thực vật hoặc mức độ ăn uống, tuổi, chế độ nuôi nhốt của súc vật. Khả năng khai thác Biogas còn chịu tác động của thời gian ủ. Nói chung thời gian ủ tăng sẽ làm tăng khả năng khai thác Biogas. 6.2.3.3 Các bộ phận chính của hệ thống sản xuất Biogas - Bể nạp liệu: là nơi thu nhận nguyên liệu và pha trộn thành dung dịch lỏng tỷ lệ 50% với nước. Mức dung dịch tại bể nạp liệu là cao nhất rồi đến mức dung dịch của bể tạo áp và mức thấp nhất là trong hầm phân hủy. - Hầm phân hủy (hầm phản ứng Biogas), ở đó xảy ra quá trình tạo khí. Hầm phân hủy là một thiết bị lưu giữ nạp liệu hàng ngày hoặc là thiết bị lưu chuyển với nạp liệu định kỳ đảm bảo sinh khí liên tục, cũng có thể hoạt động theo mẻ. Hầm phân hủy cần hoàn toàn kín và có năng suất tạo khí biogas phụ thuộc dung tích của hầm. Phần 143 9 4 3 3 trên của hầm chứa khí, phần dưới chứa dung dịch phân hủy. Khi quá trình sản xuất khí đã hoàn thành chất liệu đã phân hủy được lấy ra qua cửa thông với bể tạo áp. - Bể tạo áp: có mức dung dịch cao hơn hầm phân hủy nhằm tạo ra áp suất khí Biogas trong hầm phân hủy trong khoảng 1,2-1,4 kG/cm2, thông qua cửa nối phía dưới dung dịch. Bể tạo áp cũng là nơi lấy chất thải ra sau phân hủy (chủ yếu là nước và các chất vô cơ còn lại). - Van và đường ống dẫn khí gas đến nơi tiêu thụ (bếp đun gas, chạy động cơ khí gas, thắp sáng bằng đèn khí...) 6.2.3.4 Một số mẫu hầm biogas phổ biến Hầu hết các loại hệ thống Biogas có bể nạp liệu và bể tạo áp có cấu tạo, nguyên lý làm việc cơ bản giống nhau, chỉ khác về kết cấu của bể phân hủy. - Loại hầm nắp nổi: Loại này có phần chứa khí dạng vòm kín ở phía trên bể phân hủy, khi làm việc phần nắp vòm có xu hướng nổi trên dung dịch. Nắp hầm thường dùng vật liệu nhẹ như composít hoặc tôn, chất dẻo. Áp suất trong hầm phụ thuộc diện tích mặt thoáng của dung dịch và khối lượng của nắp. - Loại túi khí: Phần chứa khí dạng bao kín đặt rời với bể phân hủy gọi là túi khí. Túi khí thường dùng là các loại bao chất dẻo hoặc thùng kim loại, composit. Loại này thường dùng ở các vùng thấp lụt. Tuy nhiên túi khí mau hư hỏng do ngoại cảnh. - Loại nắp cố định: Hầm và nắp hầm được xây dựng liền bằng bê tông, gạch, vữa trát kín phần chứa khí. Trên vòm có ống nối kín dẫn khí gas ra ngoài. Hình 6.8 Sơ đồ hệ thống biogas nắp cố định kiểu vòm cầu Hầm phân hủy nắp cố định có nhiều loại, song phổ biến hơn cả là loại vòm cầu và vòm trụ do có nhiều ưu điểm như : tự phá váng, bền vững và dễ xây dựng. 144 Lượng nạp liệu hàng ngày phụ thuộc dung lượng cũng như khả năng phân hủy của hầm. Hầm cần xây chìm trong đất để ổn định nhiệt độ trong hầm và dễ nạp liệu (chất thải từ nền chuồng trại chảy vào thuận lợi). Người sử dụng cần tuân thủ quy trình công nghệ chặt chẽ để bảo đảm sự ổn định của hệ thống biogas. Với dung tích hầm khoảng 6-8 m3 là đủ lượng khí đốt cho một nông hộ trong đun nấu hàng ngày (sử dụng chất thải của 3-6 người và 5-10 đầu gia súc). ơ6.3. CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHÁC Ngoài các nguồn năng lượng truyền thống từ khoáng vật được con người khai thác và sử dụng với số lượng lớn (than đá, dầu mỏ..), gần đây do thiếu hụt năng lượng nên nhiều quốc gia quan tâm nhiều đến các nguồn năng lượng mới có tiềm năng lớn chưa được khai thác. Trong các nguồn năng lượng mới, ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng từ Biomass, còn có các nguồn năng lượng khác, đó là năng lượng dòng chảy của các sông suối, năng lượng gió, năng lượng sóng biển và thủy triều, năng lượng địa nhiệt. 6.3.1 Năng lượng dòng chảy của các sông suối: Động năng của dòng chảy các con sông đã trở thành nguồn năng lượng thủy điện chiếm đến 40% công suất phát điện trên thế giới. Đây là nguồn năng lượng sạch và có giá thành rẻ so với nhiệt điện. Những nhà máy thủy điện hiện nay đang đứng đầu về công suất phát điện, từ vài trăm Oát đến vài triệu kW. 6.3.2 Năng lượng gió: Do sự thay đổi khí hậu theo mùa của các vùng lục địa và biển tạo thành gió. Nhiều quốc gia đã sử dụng sức gió để phát điện như Hà Lan, Mỹ, Úc. Người ta sử dụng các tuốc bin cánh quạt để phát điện ở những vùng có gió mùa đi qua ổn định. Hiện nay đã có những tuốc bin phát điện công suất lên đến hàng nghìn kW. 6.3.3 Năng lượng sóng biển và thủy triều: Các quốc gia phát triển (Anh, Mỹ, Nhật, Pháp) đang triển khai nhiều mô hình thiết bị sử dụng sóng biển để phát điện. Các nguyên lý đã được thử nghiệm như: “tường chắn sóng”, “rồng biển”, “con lắc sóng”, “cá mập” đã làm tiền đề cho nhiều dự án lớn về xây dựng các nhà máy phát điện bằng sóng biển. Gần đây, Mỹ và Anh là hai quốc gia đi đầu trong nghiên cứu ứng dụng dòng chảy của các dòng hải lưu và thủy triều để phát điện. 6.3.4 Năng lượng địa nhiệt Sự chênh lệch nhiệt độ từ mặt đất với độ sâu vài km trong lòng đất lên đến hàng trăm độ C. Vấn đề sử dụng nguồn nhiệt này cũng đang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đặt ra và trong tương lai gần sẽ có những trạm thu nhiệt theo nguyên lý tuần hoàn nước được sử dụng ở các vùng phù hợp. Năng lượng mới là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo của nó. Hiện nay, một số công nghệ sử dụng 145 năng lượng mới đòi hỏi chi phí cao nhưng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, thì năng lượng mới sẽ nhanh chóng được hoàn thiện và giá thành sẽ giảm dần. Ngoài ra, do sự cạn kiệt của năng lượng hoá thạch nên cơ hội cạnh tranh của năng lượng mới là một hiện thực. Cùng với nhiều chính sách mới của Nhà nước, hy vọng trong thời gian tới, Việt Nam sẽ là một trong những nước phát triển mạnh các nguồn năng lượng mới. Đây cũng là sự lựa chọn đúng đắn cho tương lai. Lời nói đầu Bài giảng Cơ điện Nông nghiệp được biên soạn theo đề cương chi tiết thuộc khung chương trình của Dự án NUFFIC tại khoa Nông học, trường Đại học Nông Lâm Huế. Bài giảng Cơ điện Nông nghiệp nhằm trang bị cho sinh viên ngành Khoa học cây trồng, Khoa học nghề vườn và sinh vật cảnh, (bao gồm hệ dài hạn tập trung, hệ vừa học vừa làm và một số hệ khác) của Trường Đại học Nông Lâm Huế, những kiến thức về cơ điện nông nghiệp, giúp cho họ nắm vững vai trò, tầm quan trọng của cơ điện trong sản xuất nông nghiệp, thấy rõ tính ưu việt của việc cơ khí hóa, điện khí hóa các qúa trình sản xuất. Trên cơ sở đó nâng cao trình độ tổ chức, quản lý và hiệu quả sử dụng các loại máy móc, thiết bị dùng trong nông nghiệp. Ngoài ra, nó còn là tài liệu tham khảo đối với các cán bộ khoa học kỹ thuật quan tâm đến lĩnh vực này. Trong bài giảng này, có sử dụng nguồn tư liệu chính từ Giáo trình Cơ điện nông nghiệp(2006) do PGS -TS Phan Hòa (chủ biên) và TS Đinh Vương Hùng biên soạn. Chúng tôi trân trọng cám ơn các bạn đồng nghiệp đã đóng góp những ý kiến quý báu trong quá trình biên soạn bài giảng này. Chắc chắn tập "Bài giảng Cơ điện nông nghiệp" còn có những khiếm khuyết nhất định. Chúng tôi hy vọng nhận được nhiều ý kiến đóng góp của bạn đọc để cập nhật và điều chỉnh được hoàn thiện hơn. TS Đinh Vương Hùng