Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời Carocell

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh38
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ CHƯNG 
CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CAROCELL
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH 
OF CAROCELL SOLAR STILL
1Trần Xuân An, 2Hoàng Văn Viết, 3Nguyễn Thế Bảo 
1Trường Cao Đẳng Công Thương TP. Hồ Chí Minh
2 Trường Cao Đẳng Lý Tự Trọng TP. Hồ Chí Minh
3 Viện phát triển năng lượng bền vững ISED
Ngày tòa soạn nhận bài 16/10/2015, ngày phản biện đánh giá 05/12/2015, ngày chấp nhận đăng 29/02/2016
TÓM TẮT
Bài viết trình bày nguyên lý, đặc điểm cấu tạo, cơ sở lý thuyết tính toán và những kết quả 
thực nghiệm của thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời Carocell của Australia. 
Nhóm đã tiến hành thực nghiệm tấm chưng cất nước Carocell với diện tích bề mặt hấp thụ bức 
xạ mặt trời 2m2, bộ bốc hơi 2m2, bộ ngưng tụ chính 2m2 và bộ ngưng tụ phụ là 2m2, lưu lượng 
nước cấp 6lít/h. Các kết quả thí nghiệm cho thấy sản lượng trung bình của thiết bị đạt được 
5kg/m2/ngày với cường độ bức xạ trung bình 654W/m2 trong điều kiện thời tiết tại thành phố 
Hồ Chí Minh.
Từ khóa: Chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời; năng lượng mặt trời; tấm chưng 
cất nước sử dụng năng lượng mặt trời Carocell; chưng cất dạng bị động; chưng cất bốc hơi 
ngưng tụ.
ABSTRACT
The article describes the principle, specifications, theoretical basis and experimental re-
sults of Carocell solar still from Australia. The team has tested the Carocell Panell with the area 
of solar radiation absorbing surface of 2m2; the evaporator of 2m2; the internal condenser of 
2m2 and the external condenser of 2m2; and the inlet water flow rate of 6 l/h. The results show 
that the water production of the still achieves 5kg/m2/day with an average radiation of 654 W/
m2 in Ho Chi Minh weather condition. 
Keywords: Solar still; solar energy; Carocell solar still panel; Passive solar desalina-
tion; Humidification - Dehumidification Desalination.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sản phẩm chưng cất nước sử dụng năng 
lượng mặt trời Carocell là một phát minh của 
nhà khoa học người Úc Peter Johnstone vào 
năm 2009, sau 5 năm nghiên cứu. Peter John-
stone là chủ tịch đồng thời là CEO công ty F 
Cubed Australia PTY LTD nơi sản xuất Caro-
cell duy nhất trên thế giới. Carocell được giới 
thiệu ra thị trường lần đầu vào tháng 10/2010, 
cho đến thời điểm hiện tại đã xuất hiện ở 20 
quốc gia trên thế giới như: Pháp, Ý, Hy Lạp, 
Panama, Columbia, Peru,Úc, UAE, Indone-
sia, Việt Nam, Thái Lan, Lào, Campuchia, 
Singapore, Malaysia, Philipines, Trung Quốc. 
Tại Việt Nam Carocell được giới thiệu lần đầu 
tiên tại triển lãm ở Ninh Thuận tháng 04/2011 
và sau đó được ứng dụng tại Quảng Nam, Phú 
Yên, Tiền Giang, Đồng Tháp, Trường Sa... Với 
kết cấu đơn giản, gọn nhẹ mang tính thương 
mại cao của thiết bị chưng cất nước Carocell 
đã được ứng dụng ở Việt Nam là một giải pháp 
thiết thực phục vụ nước uống và sinh hoạt cho 
người dân ở các vùng biển đảo và vùng ngập 
mặn. Tuy nhiên chi phí giá thành cho mỗi một 
m2 diện tích thiết bị còn khá cao khoảng 3.5 
triệu VND/ 1m2 từ đó thúc đẩy tác giả nghiên 
cứu tìm hiểu đánh giá thiết bị và hướng đến 
nội địa hóa sản phẩm với chi phí đầu tư rẻ nhất 
là hết sức cấp thiết trong tương lai.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 39
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1 Đặc điểm cấu tạo tấm chưng cất nước 
Carocel
So với các thiết bị chưng cất nước sử 
dụng năng lượng mặt trời khác trên thế giới 
hiện nay, Carcell có những đặc điểm cấu tạo 
hết sức đặc biệt: 
- Mặt ngưng tụ chính sử dụng vật liệu 
nhựa trong suốt, diện tích 2m2.
- Có bố trí bộ ngưng tụ ngoài đặt ngay 
phía dưới tấm hợp kim nhôm silic thay 
vì phải cách nhiệt với diện tích bằng 
diện tích về mặt ngưng tụ chính.
- Sử dụng tấm màng hấp thụ bức xạ mặt 
trời gia nhiệt làm bốc hơi nước đồng 
thời cũng là màng thẩm thấu , làm bằng 
vật liệu sợi có tính thẩm thấu cao để 
đảm bảo thấm đều nước trên bề mặt 
với độ nghiêng thiết bị khoảng 300 mà 
không làm nước chảy thành dòng. Diện 
tích 2m2, bề dày 1.5mm.
- Khoảng cách giữa bề mặt nước và tấm 
phủ nhựa trong suốt (bề mặt ngưng tụ 
chính) rất nhỏ 2cm, đây là ưu điểm để 
giảm trở lực dòng hơi nước, đảm bảo bề 
mặt ngưng tụ nhận được tối đa các phân 
tử hơi nước.
- Trọng lượng chỉ có 15kg cho dòng 
Carocell 2000 (loại 2 m2, Dài x Rộng x 
Cao : 1950x1100x40mm). 
Hình 1. Đặc điểm cấu tạo tấm chưng cất nước Carocell
1: Tấm phủ nhựa trong suốt
2: Màng thẩm thấu (màng hấp thụ bức xạ) 
3: Tấm hợp kim nhôm silic
4: Tấm nhựa mặt đáy 
5: Máng phân phối nước cấp
6: Đường ống nước thải
7: Đường ống nước chưng cất
8: Bộ ngưng tụ phụ hay bộ ngưng tụ ngoài
9: Bộ ngưng tụ chính hay bộ ngưng tụ trong
Hình 2. Tấm chưng cất nước Carocell thực tế
2.2 Nguyên lý làm việc 
Hình 3. Nguyên lý quá trình chưng cất nước 
năng lượng mặt trời
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh40
 Quá trình chưng cất nước dựa trên nguyên 
tắc làm bay hơi nước dưới tác dụng của bức xạ 
mặt trời trực tiếp chiếu đến các thiết bị chưng 
cất. Nước được gia nhiệt dưới nhiệt độ điểm 
sôi, bốc hơi trong điều kiện áp suất khí quyển 
và ngưng tụ trên các bề mặt thường là các tấm 
phủ bằng kính hay bằng nhựa trong suốt.
Hình 4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất 
nước Carocell
Nguồn nước cấp được đưa vào máng 
(5) đặt theo chiều ngang của tấm Carocell và 
phân phối đều lên tấm màng chưng cất (2). 
Dưới bức xạ mặt trời nước được gia nhiệt sẽ 
bốc hơi và ngưng tụ trên tấm phủ nhựa trong 
suốt. Toàn bộ lượng hơi trong thiết bị thì một 
phần nhả nhiệt ẩn hóa hơi ngưng tụ trên bề 
mặt trong của tấm phủ, phần hơi còn lại tuần 
hoàn tự nhiên vào bộ ngưng tụ ngoài (8) được 
bố trí ngay mặt dưới của tấm hợp kim nhôm 
silic. Lượng hơi này tiếp tục nhả nhiệt ẩn hóa 
hơi và ngưng tụ trên bề mặt tấm nhựa mặt đáy 
(4). Toàn bộ lượng nước chưng cất của thiết 
bị sẽ được thu hồi theo đường ống (7), phần 
nước còn lại chứa tạp chất sẽ đưa ra ngoài 
theo đường ống (6).
2.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3.1 Trao đổi nhiệt đối lưu
Theo công thức Newton nhiệt lượng 
truyền trong quá trình tỏa nhiệt đối lưu có 
dạng:
Qα = h.A.(tw – tf), W (1)
2.3.2 Trao đổi nhiệt bức xạ
Năng lượng bức xạ phát ra tuân theo 
quy luật:
E = C
0
.T4 (2)
2.3.3 Nhiệt lượng trao đổi đối lưu từ mặt 
nước đến tấm phủ
Đây là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu 
trong không gian kín, hỗn hợp khí – hơi vô 
cùng phức tạp. Công thức được thực nghiệm 
bởi Dunkle 1961 
Q
cw
 = h
cw
.( T
w – 
T
p1
).A ; W (3)
h
cw
: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa bề mặt nước 
và tấm phủ
1/3
w 3
( )( 273,15)
0,884. ( )
(268,9 10 )
w p w
c w p
w
p p T
h T T
p
− + 
= − + × − 
W/m20C (4)
2.3.4 Nhiệt lượng bốc hơi giữa bề mặt nước 
và tấm phủ
Q
ew 
= A.h
ew
 .( T
w – 
T
p
) ; W (5)
Theo Dunkle giữa hệ số tỏa nhiệt bốc 
hơi và hệ số tỏa nhiệt đối lưu có mối quan hệ:
(6)
2.3.5 Sản lượng nước chưng cất được trong 
một giờ
w .3600, /
ewQM kg h
L
=
 (7)
2.3.6 Hiệu suất xác định theo phương pháp 
thực nghiệm
wM .
ex
S
L
I dt
η =
∫ 
; % 
(8)
3. THỰC NGHIỆM
Tác giả tiến hành thực nghiệm thiết bị 
chưng cất nước Carocell 2000 (loại 2m2) trong 
điều kiện thời tiết tại thành phố Hồ Chí Minh. 
Mô hình thí nghiệm được lắp đặt với góc ng-
hiêng 300, lưu lượng nước cấp 6 lít/giờ, hướng 
chính Bắc – Nam, điều kiện gió tại điểm khảo 
sát giao động từ 0.5 -4 m/s, nhiệt độ môi 
trường trung bình 320C. Kết quả thực nghiệm 
được đánh giá theo các điều kiện thời tiết khác 
nhau, trời nắng tốt – nắng yếu.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 41
Hình 5. Đo bức xạ mặt trời và nhiệt độ
Hình 6. Thực nghiệm tấm chưng cất nước 
Carocell
Các thông số cần đo đạt cường độ bức 
xạ, nhiệt độ bề mặt tấm phủ ngưng tụ, nhiệt độ 
nước trong thiết bị Carocell, nhiệt độ hơi, sản 
lượng nước thực tế được lấy liên tục mỗi giời 
từ 7h – 16h trong ngày.
Hình 7. Biểu đồ cường độ bức xạ - Nhiệt độ 
môi trường – Vận tốc gió 15/6/2014
Hình 8. Biểu đồ nhiệt độ nước chưng cất – 
nhiệt độ tấm phủ theo cường độ bức xạ mặt 
trời 15/6/2014
Hình 9. Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết và 
thực tế - Nắng tốt, I
s
 = 654W/m2 15/6/2014
Hình 10. Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết và 
thực tế - Nắng yếu, I
s
 =460W/m2, 16/6/2014
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO 
LUẬN
Trong điều kiện thời tiết tại thành phố 
Hồ Chí Minh, với góc nghiêng 300 và lưu 
lượng nước cấp 6 lít/giờ, thiết bị chưng cất 
nước Carocell cho sản lượng bình quân đạt: 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh42
5 lít/m2/ngày ( trời quang mây, nắng tốt bức 
xạ trung bình I
s
 = 654W/m2) và 3 lít/m2/ngày 
( trời nắng yếu I
s
 = 460W/m2), hiệu suất theo 
phương pháp thực nghiệm đạt được 52.37%.
Khi tiến hành thực nghiệm sản lượng 
nước chưng cất của thiết bị Carocell phụ thuộc 
vào điều kiện bức xạ mặt trời, khi bức xạ cao 
nước được gia nhiệt lên đến 660C, quá trình 
bốc hơi dễ dàng và làm tăng nhiệt lượng bốc 
hơi giữa bề mặt nước và tấm phủ Q
ew
 dẫn đến 
tăng sản lượng nước chưng cất, như vậy trong 
quá trình chưng cất nước cần đặc biệt quan 
tâm đến thông số này. Để tăng nhiệt lượng bốc 
hơi Q
ew
 phải đảm bảo chênh lệch nhiệt độ giữa 
bề mặt nước trong thiết bị và nhiệt độ bề mặt 
bên trong của tấm phủ là lớn nhất. Do đó đây 
là yếu tố hết sức quan trọng để hướng đến cải 
tiến nâng cao sản lượng thiết bị Carocell. Nhiệt 
lượng cần thiết để làm gia nhiệt nước rất nhỏ 
do ưu điểm nổi bật của tấm màng thẩm thấu 
làm mỏng dòng nước cấp nên thiết bị có quán 
tính nhiệt nhỏ và lượng nước bốc hơi nhanh 
hơn, với cường độ bức xạ nhỏ như những lúc 
sáng sớm, thiết bị cũng có thể hoạt động để 
bắt đầu sản xuất nước. Với kết cấu đặc biệt có 
bố trí thêm bộ ngưng tụ ngoài đã làm tăng sản 
lượng thiết bị lên khoảng 30% (1,5 lít trong 
tổng sản lượng 5 lít/m2/ngày) điều này có thể 
lý giải ở chỗ tấm chưng cất nước Carocell đã 
tăng diện tích bề mặt ngưng tụ lên gấp đôi để 
giải phóng bề mặt ngưng tụ hơi nước và đã 
tách một phần bộ ngưng tụ ra khỏi bộ bốc hơi 
để quá trình ngưng tụ diễn ra dễ dàng hơn.
Kết quả tính toán sản lượng nước chưng 
cất lý thuyết và thực tế vẫn còn chênh lệch do 
phụ thuộc vào các yếu tố trong quá trình thực 
nghiệm như: nhiệt độ môi trường, tốc độ gió, 
mây che phủ
Thông qua quá trình nghiên cứu và thực 
nghiệm cho thấy Carocell là thiết bị chưng 
cất nước khá hoàn hảo, bên cạnh các ưu điểm 
về kết cấu còn tạo ra sản lượng nước chưng 
cất lớn, rất phù hợp với các hộ gia đình vùng 
sâu, vùng xa và vùng biển đảo. Tiềm năng 
ứng dụng thiết bị này tại Việt Nam là rất lớn, 
nhu cầu cung cấp nước sạch, nước uống tinh 
khiết cho người dân là rất cần thiết từ đó thúc 
đẩy tác giả nghiên cứu cải tiến nâng cao sản 
lượng và nội địa hóa thiết bị để hạ giá thành 
sản phẩm trong tương lai.
Các ký hiệu
Q Nhiệt lượng truyền qua bề mặt trong 
một đơn vị thời gian, W
h: Hệ số tỏa nhiệt trên bề mặt, W/m2 0C
A: Diện tích bề mặt tỏa nhiệt, m2 
t
w
: Nhiệt độ trung bình trên bề mặt vật 
rắn, 0C
t
f
: Nhiệt độ trung bình của chất lỏng, 0C
E: Khả năng bức xạ bán cầu của vật đen 
tuyệt đối, W/m2
C
0
 = 5.67*10-8 W/m2K4 hằng số Stefan-
Bolztmann
T: Nhiệt độ bề mặt vật, K 
h
cw
: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa bề mặt 
nước và tấm phủ, W/m20C 
h
ew
: Hệ số tỏa nhiệt bốc hơi giữa bề mặt 
nước và tấm phủ, W/m20C
T
w
: Nhiệt độ bề mặt nước, 0C
T
p
: Nhiệt độ bề mặt trong của tấm phủ 
(mặt ngưng tụ chính) , 0C
p
w
: Phân áp suất hơi nước bão hòa tại bề 
mặt nước, N/m2
p
p
: Phân áp suất hơi nước bão hòa tại bề 
mặt tấm phủ, N/m2
Q
cw
: Nhiệt lượng trao đổi đối lưu từ mặt 
nước đến tấm phủ, W
Q
ew
: Nhiệt lượng bốc hơi giữa bề mặt 
nước và tấm phủ, W
M
w
: Sản lượng nước chưng cất được 
trong một giờ, kg/h 
L: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước. J/kg
I
s
: Cường độ bức xạ mặt trời, W/m2
exη : Hiệu suất xác định theo phương 
pháp thực nghiệm, %
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hoàng Đình Tín – Hoàng Thị Nam Hương, Ứng dụng năng lượng mặt trời để đun nước 
nóng và sản xuất nước ngọt từ nước biển, NXB. Đại học quốc gia Tp.hcm, 2012. 
[2] Nguyen, B.T. Feasibility of Solar Hot Water and Distillation Systems in Vietnam. Ph. D 
Thesis, Murdoch University, Australia, 1998.
[3] G.N. Taiwari, Performance study of double effect distillation in a multiwick solar still, 
New Delhi, India, August-1991.
[4] D. W. Medugu and L. G. Ndatuwong, Theoretical analysis of water distillation using so-
lar still, Department of Physics, Adamawa State University, Mubi – Nigeria, September, 
2009.
[5] Husham M. Ahmed, Seasonal performance evaluation of solar stills connected to passive 
external condensers ,Department of Mechanical Engineering - Gulf University, Bahrain , 
March-2012. 
[6] Ali A. Al-Karaghouli and L.L. Kazmerski, Renewable Energy Opportunities in Water 
Desalination, National Renewable Energy Laboratory, Golden,Colorado, 80401, USA.