Nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt chân không trong bộ thu năng lượng mặt trời

Ống nhiệt chân không mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp thu nhiệt mặt trời truyền thống. Hiệu suất truyền nhiệt cao, khả năng vận hành ổn định và tuổi thọ dài là những yếu tố quan trọng. Việc sử dụng ống nhiệt chân không cũng giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành hệ thống. Ứng dụng công nghệ ống nhiệt hứa hẹn một tương lai bền vững cho năng lượng tái tạo.

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời. Việc ứng dụng bộ thu năng lượng mặt trời sử dụng ống nhiệt chân không có thể góp phần giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch, bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế bền vững. Ứng dụng trong hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, cung cấp nước nóng và điện năng cho sinh hoạt và sản xuất. Nghiên cứu và phát triển công nghệ ống nhiệt là vô cùng cần thiết.

Ống nhiệt thường được chia thành ba phần chính: phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng. Phần sôi là nơi nhận nhiệt, làm cho môi chất lỏng sôi và tạo thành hơi bão hòa. Phần đoạn nhiệt là nơi hơi di chuyển đến phần ngưng, thường được cách nhiệt. Phần ngưng là nơi hơi nhả nhiệt và ngưng tụ lại thành chất lỏng. Bề mặt bên trong ống nhiệt có thể nhẵn, xẻ rãnh hoặc có cấu trúc bấc để hỗ trợ quá trình tuần hoàn môi chất.

Chất lỏng trong ống nhiệt nhận nhiệt từ nguồn nóng ở phần sôi, sôi và biến thành hơi, hơi chuyển động qua phần đoạn nhiệt đến phần ngưng. Tại đây, hơi tỏa nhiệt cho nguồn làm mát và ngưng tụ lại thành chất lỏng. Chất lỏng ngưng tụ sẽ chảy về phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao dẫn hoặc lực ly tâm, tạo thành một chu trình tuần hoàn kín. Quá trình này diễn ra liên tục, giúp ống nhiệt truyền nhiệt hiệu quả từ nguồn nóng đến nguồn lạnh.

Áp suất và nhiệt độ làm việc bên trong ống nhiệt chính là áp suất và nhiệt độ hơi của chất lỏng nạp. Sự chênh lệch áp suất giữa phần sôi và phần ngưng thường rất nhỏ. Môi chất trong ống nhiệt thực hiện một chu trình kín mà không cần ngoại lực, khác với các thiết bị trao đổi nhiệt khác. Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều theo chiều dài ống. Hiệu suất truyền nhiệt phụ thuộc lớn vào đặc tính môi chất và cấu trúc ống nhiệt.

Ống nhiệt trọng trường sử dụng lực trọng trường để đưa chất lỏng ngưng về phần sôi. Loại này yêu cầu phần sôi luôn phải đặt thấp hơn phần ngưng. Cấu tạo đơn giản và dễ chế tạo nên được dùng rộng rãi. Ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn bên trong là loại đơn giản nhất và dễ chế tạo nhất.

Ống nhiệt mao dẫn sử dụng lực mao dẫn để đưa chất lỏng ngưng về phần sôi. Loại này có thể đặt ngược hướng trọng trường, phức tạp hơn ống nhiệt trọng trường nhưng có tính năng tốt hơn, đặc biệt là có thể làm việc ở vị trí nằm ngang hoặc phần sôi cao hơn phần ngưng.

Ngoài ra còn có ống nhiệt ly tâm, điện trường và từ trường. Ống nhiệt ly tâm được dùng làm mát động cơ điện. Các loại ống nhiệt khác ít phổ biến hơn nhưng có những ứng dụng đặc biệt trong các lĩnh vực chuyên dụng.

Bộ thu dạng tấm phẳng là loại phổ biến nhất, có cấu tạo đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, hiệu suất của bộ thu dạng tấm phẳng thường thấp hơn so với các loại bộ thu khác.

Bộ thu dạng tập trung sử dụng các gương hoặc thấu kính để tập trung ánh sáng mặt trời vào một điểm nhỏ, từ đó tăng nhiệt độ của chất lỏng. Bộ thu dạng tập trung có hiệu suất cao hơn nhưng cũng phức tạp và đắt tiền hơn.

Bộ thu dạng tấm hút chân không và bộ thu kiểu ống nhiệt sử dụng lớp chân không để giảm thiểu sự mất nhiệt do đối lưu và bức xạ, từ đó tăng hiệu suất thu nhiệt. Bộ thu kiểu ống nhiệt kết hợp ống nhiệt để truyền nhiệt hiệu quả từ bề mặt hấp thụ đến chất lỏng.

Các bộ phận chính của bộ thu ống nhiệt chân không bao gồm ống nhiệt chân không, thùng chứa nước, tấm phản xạ và khung đỡ. Mỗi bộ phận đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.

Thùng chứa nước cần được làm từ vật liệu chịu nhiệt và chống ăn mòn. Kích thước của thùng chứa nước phải phù hợp với nhu cầu sử dụng và số lượng ống nhiệt.

Tấm phản xạ có thể được sử dụng để tập trung ánh sáng mặt trời vào ống nhiệt, từ đó tăng cường khả năng thu nhiệt. Vật liệu phản xạ cần có độ phản xạ cao và độ bền tốt.

Việc đo nhiệt độ bề mặt ngoài ống nhiệt và nhiệt độ nước trong thùng giúp đánh giá khả năng hấp thụ và truyền nhiệt của hệ thống. Sử dụng cảm biến nhiệt độ chính xác để đảm bảo kết quả đo tin cậy.

Hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời được xác định bằng tỷ lệ giữa năng lượng nhiệt thu được và năng lượng mặt trời chiếu vào. Hiệu suất cao chứng tỏ hệ thống hoạt động hiệu quả.

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ thu, bao gồm cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, góc nghiêng của bộ thu, và tình trạng bảo trì của hệ thống.