Giải pháp thiết kế

Nước nóng năng lượng mặt trời
Posted by

Nước nóng năng lượng mặt trời

Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sản sinh nhiệt từ ánh sáng mặt trời. Hệ thống này cũng được gọi là hệ thống “nhiệt mặt trời” mặc dù nó có thể chỉ một khái niệm khác là máy phát điện từ hơi nước nung nóng bằng năng lượng mặt trời. Không như giải pháp tăng nhiệt hấp thụ trong thiết kế thụ động, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời có thể bơm nhiệt sản sinh tới bất cứ nơi nào mong muốn. Nhìn qua nó giống hệ pin năng lượng mặt trời bởi hình dáng chữ nhật, màu tối và thường được lắp đặt trên mái.

Thiết bị thu nhiệt cho nước nóng mặt trời lắp đặt trên mái

Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời hữu ích bởi nó có thể sản sinh năng lượng với chi phí thấp hơn nhiều so với pin năng lượng mặt trời; tuy nhiên nó chỉ sản sinh nhiệt chứ không sản sinh điện. Nhiệt sản sinh từ hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời có thể được sử dụng cho hệ thống sưởi ấm bức xạ và nước sinh hoạt. Tính hiệu quả của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời được đo bởi năng lượng sản sinh trên đơn vị thời gian và diện tích, kWh/năm•m2 or BTU/giờ•ft2. Về cơ bản, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời bao gồm thiết bị thu nhiệt mặt trời và bình chứa nước. Thiết bị thu nhiệt đun nóng nước và nước này chảy vào bình chứa, được lưu trữ tại đó tới khi có nhu cầu sử dụng như cho bồn rửa hoặc máy rửa bát.

Hệ thống đơn giản nhất: thiết bị thu nhiết và bình chứa

Trong khi phần lớn thiết bị thu nhiệt đun nước nóng một cách trực tiếp, điều kiện không khí lạnh có thể khiến nước bị đóng băng. Do đó, một vài hệ thống gián tiếp nung nóng dung dịch chống đông bằng năng lượng mặt trời, sau đó mang dung dịch vào bên trong công trình nơi một thiết bị trao đổi nhiệt sẽ chuyển nhiệt từ dung dịch chống đông sang hệ thống nước.

Dự đoán khả năng sản xuất nước nóng từ năng lượng mặt trời

Tương tự như pin năng lượng mặt trời, mức năng lượng sản xuất bằng hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời phụ thuộc vào 5 yếu tố chính:

  1. Điều kiện vị trí công trình: kinh độ, vĩ độ và điều kiện khí hậu địa phương
  2. Hướng và mức độ tiếp xúc với mặt trời của thiết bị thu nhiệt
  3. Hiệu năng của thiết bị thu nhiệt
  4. Diện tích tiếp xúc của thiết bị thu nhiệt
  5. Hiệu năng của hệ thống bơm và bể chứa

Điều kiện vị trí công trình

Điều kiện vị trí công trình có tác động tới hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tương tự như tác động của nó tới hệ thống pin năng lượng mặt trời. Việc xác định được số kW năng lượng mặt trời chiếu lên một đơn vị diện tích trong năm sẽ cho phép tính toán quy mô và hiệu năng cần thiết của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng của công trình.

Hướng của hệ thống

Ánh nắng mặt trời chiếu càng trực tiếp lên thiết bị thu năng lượng mặt trời thì năng lượng được sản xuất càng lớn. Tuy nhiên, nó ít ảnh hưởng tới hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời hơn so với hệ thống pin năng lượng mặt trời. Đây không phải là thông số quan trọng, mặc dù việc định hướng thiết bị thu năng lượng mặt trời hướng về đường xích đạo ở góc tương đương với vĩ độ của vị trí công trình sẽ mang lại những hiệu quả rõ rệt.

Thiết bị thu năng lượng mặt trời thông thường được lắp đặt trên mái để có được diện tiếp xúc lớn nhất với ánh nắng mặt trời.

Hiệu năng của thiết bị thu nhiệt mặt trời

Hiện nay có ba loại thiết bị thu năng lượng nhiệt mặt trời chính: loại tấm phẳng, loại bình chứa và loại đường ống lưu thông. Hiệu năng của mỗi loại phụ thuộc vào điều kiện khí hậu của từng địa phương, và có thể thay đổi khác nhau tùy theo đơn vị sản xuất. Những thiết bị thu nhiệt mặt trời thông thường có hiệu năng từ 45-70%.

Thiết bị dạng tấm phẳng là loại phổ biến nhất; thông thường nó có hiệu năng cao nhất trong điều kiện khí hậu ôn đới. Thiết bị này bao gồm một hộp chữ nhật với bề mặt trong suốt hướng tới mặt trời. Các đường ống nhỏ mang theo nước (hoặc chất chống đông) chạy qua đường ống để được đun nóng. Đường ống thống thường được sơn đen và đặt trên các tấm kim loại hấp thụ nhiệt. Mặt sau và mặt bên của hộp được cách nhiệt để giữ nhiệt bên trong bản thân thiết bị. Nhiệt độ tăng lên trong thiết bị thu nhiệt và nước sẽ được nung nóng khi đi qua đường ống.

Thiết bị thu nhiệt dạng tấm phẳng

Thiết bị loại bình chứa thông thường nung nóng nước theo từng bể. Các bể này đồng thời cũng là bình chứa nước, chính vì thế hệ thống này thường được gọi là loại “bình chứa thu nước nóng tích hợp”. Hệ thống loại này có chi phí thấp nhất, tuy nhiên chúng chỉ hiệu quả trong điều kiện khí hậu nóng nực nơi mà nhiệt thất thoát trở lại từ thiết bị ra môi trường không còn là vấn đề.

Bể chứa nước trên mái

Photo: Jeremy Faludi

Loại đường ống lưu thông tương tự như tấm phẳng nhưng ở đây nước hấp thụ nhiệt được lưu thông qua các đường ống bằng thủy tinh thay vì tấm phẳng. Những đường ống này được đặt trong chân không nhằm tránh hiện tượng nhiệt bị dẫn ngược trở lại vào môi trường. Hệ thống này có diện tiếp xúc với mặt trời nhỏ hơn so với loại tấm phẳng, tuy nhiên nhiệt thất thoát ít hơn, do đó chúng là loại hiệu quả nhất cho điều kiện khí hậu lạnh.

Thiết bị thu nhiệt loại đường ống lưu thông

 Diện tích của hệ thống

Diện tích yêu cầu cho hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời phụ thuộc vào hiệu suất của không chỉ thiết bị thu nhiệt mà của cả toàn hệ thống. Đồng thời nó cũng phụ thuộc vào lượng ánh sáng mặt trời, tính ngắt quãng của mặt trời và mức độ thường xuyên sử dụng của hệ thống sưởi ấm hỗ trợ.

Do hiệu suất sử dụng cao hơn, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời thông thường yêu cầu diện tích bé hơn so với pin mặt trời. Tuy nhiên, không như pin PV, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời không thể tồn tại độc lập ngoài mạng lưới bởi nước nóng không có khả năng giữ nhiệt quá một vài ngày lưu trữ trong bể chứa.

Trong điều kiện khí hậu lạnh, nhiều mây vào mùa đông nhưng nhiều ánh sáng mặt trời vào mùa hè sẽ cần thiết kế hệ thống quá khổ để có đủ nước nóng vào thời điểm ít mặt trời nhất trong năm nhưng lại có nhiều nước nóng vào mùa hè hoặc là thiết kế hệ thống ở mức độ vừa phải nhưng sử dụng thêm nước nóng bằng điện hoặc khí đốt vào mùa đông.

Hệ thống bơm và bể chứa

Sự cân bằng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời nằm ở bình chứa nước nóng, bơm và ở sự kết hợp với thiết bị nước nóng bằng ga hoặc điện. Các hệ thống thông thường bao gồm cả các bộ phận phụ trợ khác như bơm, van, cảm biến nhiệt độ và áp suất cùng với bể chứa bổ sung nhằm kiểm soát tốt hơn nhiệt độ và chất lượng nước.

Hệ thống thông thường: thiết bị thụ nhiệt và bể chứa, cảm biến, van và bình chứa bổ sung

Bể chứa có thể chỉ đơn giản là bể chứa nước thông thường được cách nhiệt. Về cơ bản, bể chứa càng lớn và cách nhiệt càng tốt thì sẽ có hiệu quả càng cao trong việc giảm thất thoát nhiệt. Cách nhiệt kém cho bể chứa và đường ống làm giảm hiệu suất của toàn hệ thống.

Mặc dù hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời có hiệu quả hoạt động cao nhưng nó không thể hoạt động khi không có mặt trời hoặc dưới điều kiện trời nhiều mây kéo dài. Do đó, các công trình thông thường sử dụng kết hợp thiết bị đun nước nóng bằng ga hoặc nhiệt.

Khi hệ thống nước nóng mặt trời được kết hợp với thiết bị đun nước nóng bằng ga hoặc điện, những thiết bị này có thể đun nóng bể chứa nước nóng mặt trời, hoặc có bể chứa riêng, hoặc là hệ thống hoạt động theo nhu cầu sử dụng và ở đó nước nóng được đưa tới người sử dụng sau khi đã được nung qua bằng thiết bị năng lượng mặt trời.

Trong những công trình được thiết kế sử dụng năng lượng mặt trời, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời có thể bơm nước chủ động hoặc thụ động. Các hệ thống phổ biến nhất là loại chủ động, có nghĩa là chúng sử dụng bơm điện để đưa nước đã được đun nóng từ thiết bị thu nhiệt tới bể chứa. Hệ thống thụ động sử dụng hiện tượng đối lưu tự nhiên do chênh lệch nhiệt độ để chuyển nước đi trong hệ thống.

Hệ thống thụ động trực tiếp và hệ thống chủ động gián tiếp

Các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tốt nhất có thêm chức năng điều tiết nhiệt độ bởi nhiệt độ của nước nóng đun từ năng lượng mặt trời có thể rất khó đoán – tùy thuộc vào điều kiện mặt trời, nó có thể lạnh hơn hoặc nóng hơn so với nhu cầu. Nó cũng có thể có nhiệt độ nóng ở mức nguy hiểm. Mức biến thiên nhiệt độ được điều chỉnh bằng nhiệt khối của nước trong bể chứa và có thể được kiểm soát bằng cách trộn nước nóng với nước lạnh hoặc điều chỉnh tốc độ bơm nước lên thiết bị thu nhiệt mặt trời.

0 0 1606 13 April, 2015 April 13, 2015
1 vote

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Facebook Comments