Khả năng và triển vọng sử dụng nhiệt năng từ bức xạ mặt trời

Image[bkeps.com]Biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng (để sử dụng trực tiếp hoặc để sản xuất điện theo chu trình nhiệt động, động cơ nhiệt làm quay máy phát điện) là công nghệ đơn giản, dễ thực hiện để đảm bảo năng lượng cho các hộ tiêu thụ thuộc các cấp khác nhau. Những năm gần đây trên toàn thế giới, người ta ngày một quan tâm hơn tới phương hướng  sử dụng năng lượng mặt trời.

Sử dụng nhiệt từ bức xạ mặt trời trong sinh hoạt và sản xuất

Mọi người đều biết rằng năng lượng mặt trời biến đổi thành nhiệt năng được sử dụng rộng rãi cho các mục tiêu sinh hoạt, sưởi ấm và cung cấp nước nóng, hâm nóng nước trong các bể bơi. Các thiết trí được sử dụng cho các mục tiêu đó bao gồm bộ phận chính là thiết bị thu năng lượng mặt trời (TTNM) hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính. Thiết bị thu phẳng bao gồm phần tử hấp thụ bức xạ mặt trời, lớp phủ trong suốt và lớp cách nhiệt. Phần tử hấp thụ liên kết với hệ thống dẫn nhiệt. Thiết trí đơn giản về kết cấu và dễ lắp đặt. Với sự xuất hiện của những công nghệ đem lại lợi nhuận cao, những năm gần đây các hệ thống sưởi ấm và cung cấp nước nóng có sử dụng TTNM đã trở nên phổ biến rộng rãi. Những công nghệ này phát triển mạnh ở các nước thuộc Liên minh châu Âu (EU). Nền kinh tế của những nước này phụ thuộc đáng kể vào nhiên liệu nhập khẩu, do vậy việc sử dụng bất cứ nguồn năng lượng tái tạo nào đều được các chính phủ khuyến khích.

Tổng bề mặt các thiết bị thu năng lượng mặt trời là một trong những tiêu chí tổng quát đánh giá sự phát triển theo hướng đó. Ở châu Âu năm 2000, tiêu chí đó là 14.891.000 m2, và trên toàn thế giới – 71.341.000 m2.

Tuy nhiên sử dụng nhiệt năng từ bức xạ mặt trời chưa được phổ biến rộng rãi trong công nghiệp. Nguyên nhân chính của tình trạng này cũng giống như đối với toàn bộ ngành năng lượng tái tạo, đó là giá nhiên liệu khoáng đã được duy trì ở mức thấp trong suốt thời gian dài, do đó chưa thực sự đủ để khuyến khích phát triển ngành năng lượng tái tạo.

Để đánh giá tình trạng sự việc sử dụng trong công nghiệp nhiệt năng từ bức xạ mặt trời, Cơ quan Năng lượng Quốc tế đã có dự án Task 33/1Y, với sự tham gia của 16 viện và 11 công ty từ 8 nước. Mục tiêu của dự án là nghiên cứu triển khai các trạm năng lượng mặt trời (TNM) sản xuất nhiệt lượng cho các mục tiêu công nghiệp. Sau đây sẽ trình bày một số kết quả thu được trong quá trình thực hiện dự án.

Ngày nay trên thế giới có khoảng 85 thiết trí năng lượng mặt trời sản xuất nhiệt năng cho các quá trình sản xuất với tổng diện tích của các TTNM là 38.500 m2. Những ngành có nhiều thiết trí nhất hoạt động là công nghiệp thực phẩm (28%), dệt (12%) và hóa (10%).

H1. Thiết bị thu năng lượng mặt trời (tại Barcelona – Tây Ban Nha) để đun nước nóng rửa container

 

 

Bảng 1 nêu các thông tin về khả năng sử dụng nhiệt năng từ các thiết bị thu năng lượng mặt trời trong một số ngành công nghiệp. 

 

Bảng 1. Các ngành công nghiệp và quá trình sản xuất có thể sử dụng nhiệt năng từ các TTNM

Ngành công nghiệp

Các quá trình sản xuất

Dải nhiệt độ, oC

Thực phẩm

Sấy khô

30 – 90

 

Rửa

40 – 80

 

Khử trùng

80 – 100

 

Tiệt trùng

140 – 150

Dệt

Rửa

40 – 80

 

Tẩy trắng

60 – 100

 

Nhuộm

100 – 160

Hóa chất

Đun sôi

95 – 105

 

Chưng cất

110 – 300

Các số liệu trong bảng cho thấy số lượng lớn nhất các quá trình sản xuất ong đó sử dụng nước nhiệt độ thấp (30 – 90oC) là thuộc ngành công nghiệp thực phẩm và dệt, là những ngành có tiềm năng cao nhất để sử dụng các TTNM. Các số liệu trong bảng cũng khẳng định có những quá trình có nhiệt độ yêu cầu nằm trong dải 80 – 250oC. Một trong những nhiệm vụ của dự án Task 33/1Y là nghiên cứu triển khai các TTNM bao gồm dải nhiệt độ này.

Có nhiều cách khác nhau để nâng nhiệt độ của các TTNM phẳng lên tới 80 – 120oC, cụ thể như giảm tổn thất nhiệt nhờ sử dụng lớp phủ thủy tinh nhiều lớp hoặc tạo chân không trong các TTNM. Để nâng nhiệt độ lên cao hơn, có thể sử dụng thiết bị tập trung bức xạ mặt trời vào các TTNM với hệ số tập trung lớn hơn (cỡ 2 – 3 lần), nhờ gương phản xạ hình trụ parabol đặt dưới các phần tử hấp thụ. Để đạt nhiệt độ cao hơn nữa cần có các thiết bị tập trung mạnh hơn và thiết bị hướng theo một tọa độ.

Trong khuôn khổ dự án Task 33/1Y đã nghiên cứu triển khai  23 phương án thiết trí với các TTNM để sưởi các xưởng sản xuất. Các xưởng sản xuất thông thường có chiều cao 5 – 10 m, nhiệt độ bên trong yêu cầu nằm trong dải 15 – 18oC. Nhiệt độ không cao và các sơ đồ đấu các TTNM đơn giản làm cho các thiết trí này trở nên lý tưởng cho những mục tiêu đó.

Các thiết trí hâm nước để rửa trong ngành công nghiệp thực phẩm và ngành vận tải yêu cầu nhiệt độ thấp (40 – 90oC) tương tự như những thiết trí quy mô lớn được sử dụng để sưởi ấm nhà ở và cung cấp nước nóng. Một trong những hệ thống trình diễn trong khuôn khổ dự án Task 33/1Y đã được thực hiện trong lĩnh vực vận tải. Hãng Contank của Tây Ban Nha gần Barcelona chuyên làm nhiệm vụ rửa các contenơ để vận chuyển các sản phẩm chất lỏng bằng đường sắt. Nhiệt độ cần thiết của nước cho mục đích đó nằm trong dải 70 – 80oC. Mỗi ngày công ty tiêu thụ 70 – 80 m3 nước được đun nóng lên nhiệt độ cần thiết bằng khí đốt. Các lò đốt được thay thế bằng thiết bị năng lượng mặt trời (hình 1) gồm các TTNM diện tích 510 m2 và bộ tích trữ dung tích 40 m3. Giá thiết bị là 14.300 euro, và với giá khí đốt hiện tại, thiết bị sẽ được hoàn vốn sau 10 năm.

Đối với dải nhiệt độ 120 – 150oC, cần có các thiết bị tập trung với hệ thống hướng theo một tọa độ. Ai Cập đã mời thầu công trình thiết bị năng lượng mặt trời (gần Cairo) với các thiết bị tập trung kiểu hình trụ parabol để sản xuất 1,3 tấn hơi một giờ. Thiết bị gồm bốn hàng gương phản xạ hình trụ parabol diện tích 1.900 m2.

Như vậy, mặc dầu trên thực tế việc sử dụng các thiết bị năng lượng mặt trời cho các mục tiêu công nghiệp mới trong giai đoạn đầu, nhưng đã có tiềm năng lớn về sử dụng. Với mục đích này, người ta đã xây dựng được những công nghệ tương đối rẻ, đơn giản trong vận hành. Công tác nghiên cứu tiếp theo nhằm tăng dải nhiệt độ thu được cần hướng tới mục tiêu mở rộng lĩnh vực sử dụng các thiết bị năng lượng mặt trời tương tự trong công nghiệp.

 

Leave a Reply

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *