Nhiệt mặt trời là quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng thông qua các cơ chế hấp thụ bức xạ. Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm các hệ thống lò sưởi gia đình, thiết bị đun nóng nước sinh hoạt, công nghệ tạo hơi nước công nghiệp, và đặc biệt là trong các hệ thống cung cấp nước nóng hiện đại được sử dụng phổ biến hiện nay.
Nguyên tắc cơ bản chung cho tất cả các hệ thống nhiệt mặt trời rất đơn giản: bức xạ mặt trời được thu thập và nhiệt tạo ra được truyền đến môi trường truyền nhiệt—thường là chất lỏng nhưng cũng có thể là không khí trong trường hợp bộ thu không khí. Môi trường được gia nhiệt này được sử dụng trực tiếp để làm nóng nước hoặc gián tiếp thông qua bộ trao đổi nhiệt để truyền nhiệt đến đích cuối cùng, ví dụ như trong việc sưởi ấm không gian hoặc các quy trình công nghiệp.
Nhiệt mặt trời là gì?
Nhiệt mặt trời là quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng. Nó được sử dụng chủ yếu trong các lò sưởi, đun nóng, tạo hơi nước hay các hệ thống nước nóng hiện nay. Nhiệt mặt trời cần được phân biệt rõ ràng với hai công nghệ năng lượng tái tạo khác sử dụng trực tiếp mặt trời—Quang điện và Năng lượng mặt trời tập trung—cả hai đều cung cấp điện năng lượng mặt trời, trong khi nhiệt mặt trời cung cấp sưởi ấm và làm mát. Công nghệ nhiệt mặt trời rất linh hoạt, có thể thích ứng với nhiều tình huống và được sử dụng ở cả quy mô nhỏ lẫn lớn.
Mặt trời nóng bao nhiêu độ C?
Theo các nghiên cứu khoa học hiện đại và các quan sát thiên văn học, nhiệt độ bề mặt Mặt Trời được ghi nhận vào khoảng 5.537 độ C, một con số không thể tưởng tượng so với những nhiệt độ chúng ta thường gặp hàng ngày. Tuy nhiên, điều này còn chưa là gì so với nhiệt độ bên trong lõi của Mặt Trời, nơi đạt đến mức nhiệt kinh hoàng khoảng 15 triệu độ C. Chính tại lõi này, quá trình tổng hợp hạt nhân xảy ra, nơi hydrogen chuyển hóa thành helium và giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ.
Năng lượng được sinh ra từ lõi Mặt Trời phải mất hàng nghìn năm để di chuyển ra bề mặt, sau đó giải phóng nhiệt và ánh sáng mà chúng ta nhận được trên Trái Đất sau khoảng 8 phút di chuyển qua không gian. Theo các ước tính từ các nhà vật lý thiên văn, năng lượng được sinh ra từ Mặt Trời trong mỗi giây tương đương với năng lượng khi cho nổ 100 tỷ tấn thuốc nổ cùng một lúc.
Điều đó thật khủng khiếp khi nghĩ đến—con người chúng ta chỉ cần ở trong điều kiện 100 độ C đã đủ trở thành “tảng thịt nướng” rồi, chứ đừng nói đến nhiệt độ gấp hàng chục nghìn lần như vậy. Vậy làm sao con người tính được nhiệt độ hàng triệu độ C ở Mặt Trời khi không thể trực tiếp đo lường? Rõ ràng là chưa có phi hành gia nào đã đến Mặt Trời để đo nhiệt độ ở đó, vậy các nhà khoa học đã sử dụng những phương pháp gì để xác định những con số đáng kinh ngạc này?
Nguyên lý hoạt động cơ bản của nhiệt mặt trời
Nguyên tắc hoạt động khá đơn giản. Mặt trời làm nóng chất lỏng trong bộ thu năng lượng mặt trời, sau đó được sử dụng để chứa nước nóng sinh hoạt trong kho chứa, sẵn sàng sử dụng. Các hệ thống lớn hơn thường là hệ thống tuần hoàn cưỡng bức, bao gồm bộ thu nhiệt mặt trời, đường ống, kho chứa nước nóng, máy bơm, bộ điều khiển, bộ trao đổi nhiệt, van và bộ gia nhiệt dự phòng. Bức xạ mặt trời được thu giữ bởi một chất hấp thụ và chuyển thành nhiệt.
Để tăng hiệu suất, chất hấp thụ thường được phủ một cách chọn lọc, nghĩa là tối đa hóa khả năng hấp thụ bức xạ và giảm thiểu sự phát xạ nhiệt. Chất hấp thụ làm nóng chất lỏng lưu thông tiếp xúc với nó. Nhiệt trong chất lỏng này sau đó được chuyển sang nước nóng sinh hoạt thông qua bộ trao đổi nhiệt. Nước nóng sinh hoạt được bơm vào bồn chứa, sẵn sàng sử dụng.
Nhiệt mặt trời được sử dụng ở đâu?
Hầu hết các hệ thống nhiệt mặt trời hiện nay đều phục vụ nhu cầu nhiệt ở nhiệt độ thấp trong các tòa nhà: cung cấp nước nóng và sưởi ấm không gian. Nhiệt mặt trời có thể được sản xuất tại chỗ cho các ngôi nhà riêng lẻ hoặc được phân phối thông qua mạng lưới sưởi thành phố. Đối với các quy trình công nghiệp, hệ thống nhiệt năng lượng mặt trời rất thích hợp để tạo ra nhiệt ở nhiệt độ thấp lên đến 150°C. Có nhiều ứng dụng phổ biến của nhiệt mặt trời trong nhà máy bia, khai thác mỏ, nông nghiệp (làm khô cây trồng) hoặc ngành dệt may.
Làm mát bằng năng lượng mặt trời cũng thích hợp cho sử dụng trong khu dân cư, thương mại, cơ quan và công nghiệp. Một trong những công nghệ được sử dụng cho mục đích làm mát là máy làm lạnh điều khiển bằng nhiệt, sử dụng năng lượng nhiệt để làm mát chất khí hoặc chất lỏng. Năng lượng nhiệt này có thể được cung cấp bởi nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm cả năng lượng nhiệt mặt trời.
Lợi ích của hệ thống nhiệt mặt trời
Lợi ích của bộ thu nhiệt mặt trời bao gồm nhiều khía cạnh: môi trường, chính trị và kinh tế.
1 – Lợi ích môi trường
Lợi ích môi trường gắn liền với khả năng giảm phát thải độc hại. Việc giảm lượng khí thải CO2 phụ thuộc vào số lượng nhiên liệu hóa thạch được thay thế trực tiếp hoặc gián tiếp, ví dụ, khi hệ thống thay thế việc sử dụng điện từ carbon để đun nước. Tùy thuộc vào vị trí, một hệ thống 14kW (20 m²) có thể tạo ra tương đương 11 MWhth/năm, tiết kiệm khoảng 1,75 Mt CO2 (2).
2 – Các lợi ích chính trị và kinh tế
Liên quan đến khả năng tiết kiệm chi phí năng lượng và cải thiện an ninh năng lượng bằng cách giảm nhập khẩu năng lượng, đồng thời tạo ra việc làm tại địa phương liên quan đến sản xuất, thương mại hóa, lắp đặt và bảo trì các hệ thống nhiệt mặt trời.
3 – Lợi ích về chi phí
Về chi phí năng lượng và khả năng tiết kiệm, có ba khía cạnh chính có tác động lớn đến chi phí tương đương của năng lượng do hệ thống nhiệt mặt trời tạo ra: chi phí ban đầu của hệ thống, thời gian tồn tại và hiệu suất của hệ thống. Các yếu tố này phụ thuộc vào vị trí (ảnh hưởng đến khí hậu, cách nhiệt, thuế, chi phí sinh hoạt, v.v.) và chất lượng của hệ thống (ảnh hưởng đến hiệu suất, tuổi thọ và chi phí). Điều này có thể thay đổi đáng kể giữa các quốc gia. Do đó, chi phí đầu tư trung bình cho các hệ thống nhiệt mặt trời có thể rất khác nhau giữa các quốc gia và giữa các hệ thống khác nhau.Việc sử dụng nhiệt mặt trời là cách sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất. Việc sử dụng này có thể được phân khúc theo quy mô hệ thống, từ các ứng dụng nhỏ hơn cho các ngôi nhà đến quy mô trung bình cho các tiện ích xã hội hoặc tòa nhà thương mại. Về ứng dụng, nó có thể được chia nhỏ thành cung cấp nước nóng sinh hoạt, sưởi ấm không gian, làm mát hoặc nhiệt độ thấp cho bể bơi.
