Nghiên cứu chế tạo hệ thu hồi nước đa tầng sử dụng năng lượng xanh phục vụ cư dân vùng biển đảo

Cá nhân: Nguyễn Minh Hoàng

Lĩnh vực Môi trường

Lượt bình chọn:

Bình chọn

Chia sẻ:

Copy link thành công

Giới thiệu sản phẩm:

Hệ thu hồi nước đa tầng đáp ứng xuất sắc các tiêu chí cộng đồng, đặc biệt trong việc mang lại lợi ích thiết thực và bền vững cho các khu vực dân cư, nhất là tại vùng biển đảo. Trước hết, hệ thống cung cấp nguồn nước sạch ổn định với hiệu suất hơn 1,2 lít/m²/giờ, đủ để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cơ bản như uống, nấu ăn và vệ sinh cho các hộ gia đình hoặc cộng đồng nhỏ mà không cần phụ thuộc vào nguồn nước ngầm khan hiếm hay vận chuyển tốn kém từ đất liền. Với chi phí vận hành thấp nhờ tận dụng năng lượng mặt trời và gió – hai tài nguyên miễn phí và dồi dào – hệ thống giảm gánh nặng tài chính cho người dân, đặc biệt là ở những khu vực kinh tế khó khăn như các đảo xa của Việt Nam.

Tính dễ sử dụng và tự vận hành cũng là một ưu điểm lớn, không đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao để lắp đặt hay bảo trì, giúp cộng đồng dễ dàng tiếp cận và quản lý mà không cần sự hỗ trợ thường xuyên từ chuyên gia. Hơn nữa, thiết kế thân thiện với môi trường, không tạo nước thải muối đậm đặc hay sử dụng hóa chất, bảo vệ hệ sinh thái biển mà người dân phụ thuộc để sinh sống, từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống và sức khỏe cộng đồng. Khả năng mở rộng quy mô của hệ thống còn cho phép điều chỉnh để phục vụ từ vài chục đến hàng trăm người, phù hợp với các làng chài, trường học, hoặc trạm y tế trên đảo. Bằng cách cung cấp giải pháp nước sạch bền vững, tiết kiệm và dễ tiếp cận, hệ đa tầng không chỉ giải quyết nhu cầu cấp thiết mà còn góp phần thúc đẩy sự gắn kết và phát triển lâu dài của cộng đồng vùng biển đảo.

Xuất xứ sản phẩm:

Nhóm nghiên cứu ở Học viện Quân y nghiên cứu. Người đại diện là Nguyễn Minh Hoàng, cán bộ Khoa Vật lý - Lý sinh, Học viện Quân y

Tính sáng tạo và đổi mới:

Hệ thu hồi nước đa tầng có tính sáng tạo và độc đáo cao, đã ứng dụng công nghệ mới nhất trong việc giải quyết bài toán nước sạch tại Việt Nam. Điểm sáng tạo độc đáo của hệ thống nằm ở sự kết hợp đột phá giữa năng lượng mặt trời và năng lượng gió – hai nguồn tài nguyên tái tạo phong phú – để vận hành một cơ chế bơm nước cải tiến, khắc phục hạn chế của các hệ thống SSG truyền thống vốn chỉ hoạt động hiệu quả ở cấu trúc đơn tầng. Lấy cảm hứng từ cối xoay gió Hà Lan, bộ phận bơm nước sử dụng cánh quạt và piston để đưa nước lên các tầng màng quang nhiệt ở độ cao khác nhau, tạo nên một thiết kế khác biệt, chưa từng được tích hợp trong các công nghệ thu hồi nước trước đây. Sự đổi mới này không chỉ tăng hiệu suất bay hơi lên hơn 1,2 lít/m²/giờ mà còn mở rộng khả năng ứng dụng theo cả chiều ngang và chiều dọc, mang lại tính độc đáo vượt trội so với các phương pháp khử muối thông thường như thẩm thấu ngược hay chưng cất nhiệt.

Về mặt công nghệ, hệ thống áp dụng các vật liệu quang nhiệt tiên tiến, như hạt cầu carbon kết hợp với polyvinyl alcohol, đảm bảo khả năng hấp thụ và chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt với hiệu suất cao. Thiết kế màng đa tầng tối ưu hóa góc chiếu sáng và phản xạ ánh sáng giữa các tầng, kết hợp với vật liệu xốp melamine giữ nước, thể hiện sự tiên tiến trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tự nhiên. Đặc biệt, việc không phụ thuộc vào điện lưới hay nhiên liệu hóa thạch mà vẫn đạt hiệu suất ổn định trong điều kiện gió biển 3-7 m/s và bức xạ mặt trời 5-7 kWh/m²/ngày – những thông số phổ biến tại Việt Nam – chứng tỏ hệ thống được tùy chỉnh phù hợp với điều kiện tự nhiên và cơ sở hạ tầng hạn chế của các vùng biển đảo.

Tính phù hợp với Việt Nam còn được thể hiện qua khả năng triển khai linh hoạt tại hơn 3.260 km bờ biển và hàng nghìn hòn đảo như Lý Sơn, Phú Quốc hay Côn Đảo, nơi nhu cầu nước sạch cấp thiết nhưng nguồn lực kỹ thuật và tài chính thường giới hạn. Hệ thống không chỉ dễ sản xuất, lắp đặt mà còn có chi phí vận hành thấp, đáp ứng tiêu chí công nghệ mới nhất: bền vững, tiết kiệm và thân thiện với môi trường. Hơn nữa, tiềm năng đổi mới tiếp theo, như tích hợp năng lượng gió để tạo điện hoặc nhiệt ban đêm, mở ra khả năng phát triển hệ thống thành một giải pháp toàn diện, phù hợp với xu hướng công nghệ xanh toàn cầu và chiến lược phát triển bền vững của Việt Nam. Với sự sáng tạo và công nghệ tiên tiến này, hệ thu hồi nước đa tầng không chỉ là một sản phẩm độc đáo mà còn là lời giải tối ưu cho thực trạng thiếu nước tại các khu vực đặc thù của đất nước.

Tính ứng dụng:

Hệ thu hồi nước đa tầng sở hữu tính ứng dụng cao, đặc biệt phù hợp với nhu cầu thực tế tại các khu vực ven biển và hải đảo. Với khả năng sản xuất nước sạch từ nước biển mà không cần điện lưới hay nhiên liệu hóa thạch, hệ thống này là giải pháp lý tưởng cho các cộng đồng xa xôi, nơi cơ sở hạ tầng hạn chế. Tại Việt Nam, nơi có hàng nghìn hòn đảo như Phú Quốc, Lý Sơn, hay Côn Đảo thường xuyên đối mặt với tình trạng thiếu nước ngọt, hệ thống có thể cung cấp nguồn nước uống ổn định cho cư dân, với hiệu suất hơn 1,2 lít/m²/giờ, đủ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cơ bản. Ngoài ra, nước sạch từ hệ thống còn phục vụ tưới tiêu nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản nước ngọt, hoặc hỗ trợ các cơ sở du lịch trên đảo, góp phần thúc đẩy kinh tế địa phương. Thiết kế đa tầng cho phép mở rộng quy mô từ hộ gia đình đến cấp cộng đồng, thậm chí ứng dụng công nghiệp, trong khi tính tự vận hành và chi phí thấp giúp dễ dàng triển khai mà không đòi hỏi bảo trì phức tạp. Đặc biệt, khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện gió biển 3-7 m/s và ánh sáng mặt trời thay đổi đảm bảo tính linh hoạt, khiến hệ thống trở thành công cụ thiết thực, bền vững, và phù hợp với đặc thù vùng biển đảo Việt Nam.

Tính hiệu quả:

Hệ thu hồi nước đa tầng nổi bật với tính hiệu quả vượt trội, được minh chứng qua khả năng sản xuất nước sạch tối ưu trong điều kiện thực tế. Hệ thống đạt hiệu suất thu hồi hơn 1,2 lít/m²/giờ, cao gấp 1,33 lần so với hệ đơn tầng truyền thống, nhờ thiết kế đa tầng tăng diện tích bay hơi và cơ chế bơm nước bằng năng lượng gió vận chuyển nước lên đến độ cao 30 cm, đảm bảo cung cấp đồng đều cho mọi tầng màng quang nhiệt. Thử nghiệm cho thấy, tại tốc độ gió 3-7 m/s – mức phổ biến ở vùng biển đảo Việt Nam – hệ thống bơm được 15-25 lít nước/giờ, duy trì hoạt động ổn định mà không phụ thuộc vào điện lưới. Đáng chú ý, cấu trúc đa tầng tối ưu hóa hấp thụ ánh sáng ở các góc chiếu khác nhau, đặc biệt hiệu quả hơn ở góc 60° nhờ phản xạ giữa các tầng, với nhiệt độ bề mặt đạt 39-45 °C, đảm bảo quá trình bay hơi diễn ra mạnh mẽ ngay cả khi ánh sáng yếu. So với các phương pháp khử muối như thẩm thấu ngược hay chưng cất nhiệt, hệ thống không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giảm tổn thất nhiệt và không tạo nước thải muối đậm đặc, nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và bảo vệ môi trường. Tính hiệu quả này khiến hệ thống trở thành giải pháp bền vững, đáp ứng nhu cầu nước sạch tại các khu vực khắc nghiệt như biển đảo một cách tối ưu.

Tiềm năng phát triển:

Hệ thu hồi nước đa tầng sở hữu tiềm năng phát triển to lớn, mở ra nhiều hướng đi mới trong công nghệ xử lý nước sạch và ứng dụng năng lượng tái tạo. Với thiết kế linh hoạt, hệ thống có thể tăng số lượng tầng màng quang nhiệt, từ đó nâng cao hiệu suất thu hồi nước để đáp ứng nhu cầu ở quy mô lớn hơn, từ cộng đồng dân cư nhỏ đến các khu công nghiệp ven biển. Tại Việt Nam, nơi tiềm năng năng lượng mặt trời (5-7 kWh/m²/ngày) và gió biển (5-10 m/s) dồi dào, hệ thống có thể được triển khai rộng rãi trên các đảo như Phú Quốc, Côn Đảo, hay quần đảo Trường Sa, không chỉ cung cấp nước sạch mà còn hỗ trợ phát triển kinh tế bền vững. Hơn nữa, việc tích hợp thêm các cải tiến như chuyển đổi năng lượng gió thành điện hoặc nhiệt để duy trì bay hơi vào ban đêm hứa hẹn biến hệ thống thành giải pháp hoạt động liên tục 24/7, khắc phục hạn chế của các công nghệ phụ thuộc ánh sáng mặt trời. Tiềm năng thương mại hóa cũng rất lớn, khi hệ thống có chi phí vận hành thấp, dễ sản xuất hàng loạt và phù hợp với các thị trường thiếu nước toàn cầu. Ngoài ra, nghiên cứu sâu hơn về vật liệu quang nhiệt tiên tiến hoặc cơ chế bơm hiệu quả hơn có thể đẩy hiệu suất vượt xa mức 1,2 lít/m²/giờ hiện tại, đưa hệ thống này trở thành một mô hình tiêu biểu trong chiến lược phát triển năng lượng xanh và giải quyết khủng hoảng nước sạch trên phạm vi quốc tế.

Tiêu chí về cộng đồng:

Cơ sở hạ tầng:

1. Bộ phận bơm nước sử dụng năng lượng gió
Chức năng: Bơm nước từ bể chứa lên các tầng màng quang nhiệt bằng năng lượng gió.
Các chi tiết và thông số:
Cánh quạt gió:
Đường kính: 40 cm.
Số lượng cánh: 15 cánh.
Chức năng: Chuyển đổi năng lượng gió thành chuyển động quay.
Tuabin:
Kết nối với cánh quạt để truyền chuyển động quay sang đĩa tròn.
Đĩa tròn:
Đường kính: 20 cm.
Chức năng: Nhận chuyển động quay từ tuabin và kết nối với thanh truyền.
Thanh truyền:
Chiều dài: 20 cm (gắn trên mép đĩa tròn).
Chức năng: Chuyển đổi chuyển động quay của đĩa tròn thành chuyển động tịnh tiến.
Thanh đẩy:
Chiều dài: 50 cm.
Chức năng: Kết nối thanh truyền với piston để tạo chuyển động lên xuống.
Piston:
Đặt trong ống dẫn nước, tạo lực hút để bơm nước.
Ống nước:
Đường kính: 26 mm.
Chiều dài: 50 cm.
Đặc điểm: Có các lỗ nhỏ ở vị trí thiết kế để phân phối nước lên các màng quang nhiệt.

2. Màng chuyển đổi quang nhiệt đa tầng
Chức năng: Hấp thụ năng lượng mặt trời, chuyển hóa thành nhiệt để làm bay hơi nước.
Các chi tiết và thông số:
Vật liệu:
Hạt cầu carbon (kích thước trung bình: 6,64 µm).
Dung dịch Polyvinyl alcohol (PVA) 10%.
Tấm giấy cellulose (đường kính: 20 cm).
Quy trình chế tạo:
Hạt cầu carbon trộn đều với dung dịch PVA 10%, trải lên giấy cellulose, sấy khô ở 50 °C.
Hình dạng:
Gấp thành hình chóp với đường kính đáy 15 cm, chiều cao 5 cm.
Cấu trúc đa tầng:
Số lượng tầng: 3 tầng.
Khoảng cách giữa các tầng: 5 cm.
Tầng bổ trợ: Miếng melamine (vật liệu xốp) đặt giữa các tầng để cố định và giữ nước.

3. Bộ phận thu hồi nước
Chức năng: Thu gom và ngưng tụ hơi nước thành nước sạch.
Các chi tiết và thông số:
Mái vòm nhựa:
Chất liệu: Nhựa trong suốt.
Đường kính: 40 cm.
Chức năng: Cho phép hơi nước ngưng tụ và chảy xuống.
Miếng xốp:
Kích thước: 5 × 50 × 50 cm.
Chức năng: Nền đỡ cho mái vòm và màng quang nhiệt.
Vòi nước:
Gắn dưới mái vòm để lấy nước ngọt sau khi ngưng tụ.

Hệ thống được thiết kế để hoạt động tối ưu trong điều kiện thực tế tại vùng biển đảo Việt Nam: tốc độ gió 5-6 m/s

Khoảng thời gian triển khai: 6 tháng

Tài liệu mô tả kỹ thuật https://docs.google.com/document/d/1LfJyjkQCL1lxQmuvjcSLv_lLx-2rxCmd/edit?usp=sharing&ouid=100061416475765317069&rtpof=true&sd=true

Số người tham gia: 6