Tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời

Tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời quyết định hiệu suất hệ thống nước nóng, từ nguyên lý hấp thụ bức xạ đến khả năng truyền nhiệt cho nước sử dụng. Megasun sẽ phân tích cấu tạo, so sánh tấm phẳng và ống chân không, đưa ra tiêu chí lựa chọn theo diện tích, bức xạ, quy mô công trình, đồng thời giới thiệu các dòng sản phẩm phù hợp cho hộ gia đình và nhà máy.

Tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời là gì?

Tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời là bộ phận hấp thụ bức xạ từ ánh nắng và chuyển hóa thành nhiệt năng để làm nóng nước hoặc môi chất trong hệ thống. Đây là thành phần quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến lượng nhiệt mà hệ thống có thể thu được trước khi nước nóng được đưa về bồn bảo ôn để lưu trữ.

Khi tìm hiểu thiết bị này, cần phân biệt rõ tấm thu nhiệt với pin điện mặt trời vì hai sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời theo hai nguyên lý khác nhau.

Cấu tạo cơ bản của tấm thu nhiệt

Tùy công nghệ tấm phẳng hay ống chân không, cấu tạo chi tiết sẽ khác nhau. Với tấm phẳng, các thành phần cơ bản thường gồm:

• Kính cường lực phía ngoài.
• Lớp hấp thụ bức xạ mặt trời.
• Hệ thống ống dẫn nhiệt.
• Lớp bảo ôn phía sau.
• Khung bảo vệ tấm thu.

Bề mặt hấp thụ nhận bức xạ mặt trời và chuyển thành nhiệt. Hệ thống ống tiếp nhận lượng nhiệt này để truyền cho nước hoặc môi chất, trong khi lớp bảo ôn có nhiệm vụ hạn chế nhiệt thất thoát ra môi trường.

Vai trò trong hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

Tấm thu nhiệt là nơi bắt đầu quá trình tạo nước nóng:

Ánh nắng mặt trời → tấm thu hấp thụ bức xạ → chuyển thành nhiệt → truyền cho nước/môi chất → nước nóng được lưu trữ trong bồn bảo ôn.

Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào diện tích tấm thu, vật liệu hấp thụ, cường độ bức xạ, nhiệt độ môi trường, góc lắp đặt và cấu hình tuần hoàn nước.

Ở những hệ thống sử dụng đối lưu tự nhiên, nước nóng có khối lượng riêng thấp hơn sẽ dịch chuyển lên phía trên, trong khi nước lạnh đi xuống khu vực thu nhiệt để tiếp tục chu trình.

Tấm thu nhiệt khác pin điện mặt trời như thế nào?

Hai thiết bị đều khai thác năng lượng mặt trời nhưng tạo ra hai dạng năng lượng khác nhau.

Tiêu chí	Tấm thu nhiệt	Pin điện mặt trời
Năng lượng đầu vào	Bức xạ mặt trời	Bức xạ mặt trời
Đầu ra	Nhiệt năng	Điện năng
Mục đích chính	Làm nóng nước/môi chất	Sản xuất điện
Ứng dụng trong hệ nước nóng	Trực tiếp tạo nhiệt	Có thể cấp điện cho thiết bị phụ trợ

Vì vậy, khi mục tiêu chính là tạo nước nóng bằng năng lượng mặt trời, tấm thu nhiệt mới là bộ phận trực tiếp thực hiện quá trình hấp thụ và truyền nhiệt.

Nguyên lý hoạt động của tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời

Quá trình hoạt động có thể hiểu qua hai bước chính: hấp thụ bức xạ mặt trời và truyền lượng nhiệt thu được sang nước hoặc môi chất. Sau đó, nước được luân chuyển về bồn chứa theo cơ chế tự nhiên hoặc bằng bơm tuần hoàn.

Hấp thụ bức xạ tại bề mặt tấm thu

Bề mặt hấp thụ cần có khả năng nhận bức xạ cao đồng thời hạn chế lượng năng lượng phản xạ trở lại môi trường.

Ở một số dòng tấm phẳng, lớp phủ hấp thụ chọn lọc được sử dụng nhằm tăng khả năng thu nhận năng lượng mặt trời. Phía trên là lớp kính bảo vệ, trong khi phía sau có lớp cách nhiệt để giảm lượng nhiệt thất thoát.

Sự kết hợp giữa các lớp vật liệu quyết định hiệu quả thu và duy trì nhiệt của tấm.

Truyền nhiệt sang nước hoặc môi chất

Nhiệt từ bề mặt hấp thụ được truyền sang hệ thống ống dẫn rồi tiếp tục truyền cho nước hoặc môi chất bên trong.

Ở hệ tuần hoàn tự nhiên, nước sau khi nóng lên sẽ dịch chuyển về bồn bảo ôn, đồng thời nước lạnh đi xuống khu vực tấm thu. Chu trình lặp lại trong thời gian có đủ bức xạ mặt trời.

Tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn cưỡng bức

Không phải hệ thống nào cũng sử dụng cùng một phương thức luân chuyển nước.

• Tuần hoàn tự nhiên tận dụng sự chênh lệch khối lượng riêng giữa nước nóng và nước lạnh. Giải pháp này có cấu tạo tương đối đơn giản và thường gặp ở hệ thống quy mô nhỏ.
• Tuần hoàn cưỡng bức sử dụng bơm, cảm biến và bộ điều khiển để đưa nước hoặc môi chất qua tấm thu. Phương án này linh hoạt hơn về vị trí bố trí tấm và bồn, phù hợp với hệ thống nước nóng tập trung hoặc công trình quy mô lớn.

Các loại tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời phổ biến

Tấm thu nhiệt hiện được chia thành hai nhóm chính: tấm phẳng thu nhiệt và tấm thu ống chân không. Megasun cũng đang cung cấp sản phẩm thuộc cả hai nhóm này.

Mỗi công nghệ có cấu tạo và đặc điểm vận hành riêng, vì vậy không nên chỉ dựa vào giá hoặc diện tích tấm để lựa chọn.

Tấm phẳng thu nhiệt

Tấm phẳng thường gồm kính cường lực, bề mặt hấp thụ nhiệt, hệ thống ống dẫn, lớp bảo ôn và khung bảo vệ bên ngoài.

Thiết kế dạng tấm tạo bề mặt liền khối, thuận tiện khi bố trí nhiều collector cạnh nhau trên mái hoặc khu vực kỹ thuật.

Một số ưu điểm đáng chú ý:

• Kết cấu tương đối chắc chắn.
• Bề mặt thuận tiện vệ sinh.
• Phù hợp với nhiều hệ thống nước nóng dân dụng và tập trung.
• Có thể ghép nhiều tấm theo công suất yêu cầu.
• Phù hợp với những khu vực có điều kiện bức xạ tốt.

Hiệu suất thực tế vẫn phụ thuộc vào bức xạ, nhiệt độ môi trường, gió và mức chênh nhiệt giữa tấm thu với nước.

Tấm thu ống chân không

Tấm thu dạng ống sử dụng các ống chân không để hấp thụ năng lượng và hạn chế lượng nhiệt thất thoát ra môi trường.

Khoảng chân không đóng vai trò cách nhiệt, nhờ đó công nghệ này phù hợp với những hệ thống yêu cầu hạn chế thất thoát nhiệt hoặc làm việc trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp hơn.

Tùy thiết kế, có thể gặp dạng nước trao đổi nhiệt trực tiếp hoặc dạng sử dụng lõi/ống truyền nhiệt trung gian.

So sánh tấm phẳng và ống chân không

Có thể hình dung sự khác biệt cơ bản như sau:

Tiêu chí	Tấm phẳng	Ống chân không
Cấu trúc	Bề mặt thu nhiệt dạng phẳng	Nhiều ống thu nhiệt
Khả năng cách nhiệt	Phụ thuộc kính và lớp bảo ôn	Lớp chân không hỗ trợ giảm thất thoát
Vệ sinh	Bề mặt tương đối thuận tiện	Cần làm sạch từng khu vực ống
Khả năng chịu va đập	Kết cấu tấm liền khối	Cần chú ý bảo vệ ống thủy tinh
Điều kiện sử dụng	Phù hợp nhiều công trình có bức xạ tốt	Có lợi khi yêu cầu hạn chế thất thoát nhiệt
Quy mô	Gia đình đến công nghiệp	Gia đình đến hệ thống tập trung

Không có một loại tấm phù hợp cho mọi công trình. Lựa chọn cần dựa trên điều kiện khí hậu, nhiệt độ nước yêu cầu, diện tích lắp đặt và cấu hình toàn hệ thống.

Tiêu chí chọn tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời

Sau khi xác định loại collector, bước tiếp theo là tính toán số lượng và cấu hình phù hợp. Những yếu tố quan trọng nhất gồm nhu cầu nước nóng, diện tích thu nhiệt, điều kiện bức xạ và quy mô công trình.

Nhu cầu nước nóng và diện tích thu nhiệt

Lượng nước nóng sử dụng mỗi ngày là cơ sở để xác định tổng năng lượng mà hệ thống phải cung cấp.

Cần xác định:

• Lượng nước nóng tiêu thụ mỗi ngày.
• Nhiệt độ nước đầu vào.
• Nhiệt độ nước cần đạt.
• Thời gian sử dụng cao điểm.
• Dung tích bồn bảo ôn.
• Nguồn nhiệt dự phòng nếu có.

Từ đó mới tính tổng diện tích thu nhiệt và số lượng tấm cần bố trí.

Ví dụ, MGS-FSC2.0 có kích thước 2.000 × 1.000 mm, còn MGS-FSC2.5 có kích thước 2.000 × 1.250 mm theo thông số hệ thống Megasun. Việc sử dụng một hay nhiều tấm cần dựa trên nhu cầu nhiệt của công trình thay vì chọn cố định theo một model.

Điều kiện bức xạ và khí hậu

Cường độ bức xạ mặt trời ảnh hưởng trực tiếp tới năng lượng mà tấm thu nhận được.

Khi khảo sát vị trí cần xem xét:

• Số giờ nắng.
• Mức bức xạ tại khu vực.
• Nhiệt độ môi trường.
• Tốc độ gió.
• Các mùa trong năm.
• Bóng che từ cây, mái hoặc công trình xung quanh.

Tại khu vực có bức xạ tốt và nhiệt độ môi trường tương đối cao, tấm phẳng là một trong những phương án có thể cân nhắc. Trong điều kiện yêu cầu hạn chế thất thoát nhiệt cao hơn, collector ống chân không có thể phù hợp hơn.

Lựa chọn theo quy mô công trình

Quy mô sử dụng cũng quyết định cấu hình hệ thống.

• Hộ gia đình: ưu tiên hệ thống gọn, số lượng tấm vừa phải và bồn bảo ôn tương ứng với nhu cầu sinh hoạt.
• Khách sạn, resort, bệnh viện: cần nhiều tấm ghép thành cụm, bồn tích trữ lớn và thường sử dụng tuần hoàn cưỡng bức.
• Nhà máy: phải tính theo tải nhiệt của quá trình sản xuất, thời gian vận hành và nhiệt độ nước yêu cầu. Hệ thống có thể gồm hàng chục hoặc hàng trăm tấm thu.

Megasun đã triển khai thực tế các hệ thống quy mô lớn với nhiều tấm MGS-2500BLT; chẳng hạn một dự án xuất khẩu hệ thống 30.000 lít sử dụng 120 tấm thu model này.

Vật liệu, áp suất và chứng nhận

Bên cạnh công suất, cần kiểm tra các yếu tố kỹ thuật của từng model như:

• Vật liệu bề mặt hấp thụ.
• Kính bảo vệ.
• Vật liệu đường ống.
• Khả năng chịu áp.
• Kích thước và trọng lượng.
• Phương án kết nối.
• Tiêu chuẩn hoặc chứng nhận của sản phẩm.

Đối với hệ thống kín chịu áp, giới hạn áp suất làm việc đặc biệt quan trọng.

Các model MGS-2000BLT và MGS-2500BLT của Megasun được hãng công bố đạt chứng nhận CE và Solar Keymark.

Ứng dụng tấm thu nhiệt cho hộ gia đình

Ở quy mô gia đình, tấm thu thường được kết hợp với bồn bảo ôn để tạo thành hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời. Cấu hình cụ thể phụ thuộc diện tích mái, nhu cầu nước và phương thức tuần hoàn.

Hệ thống gia đình sử dụng tấm phẳng

Tấm phẳng có thể được bố trí trên mái hoặc khu vực nhận nắng tốt và kết nối với bồn bảo ôn.

Với cấu hình tuần hoàn tự nhiên, vị trí giữa tấm và bồn cần đáp ứng điều kiện về cao độ. Với hệ thống tách rời hoặc cấu hình khác, có thể sử dụng bơm tuần hoàn.

Megasun hiện sử dụng các tấm MGS-FSC2.0 và MGS-FSC2.5 trong nhiều cấu hình máy nước nóng tấm phẳng của hãng.

Hệ thống gia đình sử dụng ống chân không

Ống chân không cũng được ứng dụng phổ biến trong hệ thống nước nóng quy mô nhỏ.

Ưu điểm là khả năng hạn chế thất thoát nhiệt nhờ cấu trúc chân không. Tuy nhiên, người sử dụng cần chú ý chất lượng nguồn nước, khả năng cáu cặn của từng cấu hình và nguy cơ va đập vào ống thủy tinh.

Việc chọn tấm phẳng hay ống chân không nên dựa trên điều kiện lắp đặt cụ thể thay vì chỉ dựa vào công nghệ.

Cân đối chi phí đầu tư và vận hành

Khi đầu tư hệ thống, không nên chỉ so sánh giá của riêng tấm thu.

Tổng chi phí còn gồm:

• Bồn bảo ôn.
• Khung đỡ.
• Đường ống.
• Bơm tuần hoàn nếu cần.
• Bộ điều khiển.
• Nguồn nhiệt dự phòng.
• Chi phí lắp đặt và bảo trì.

Hiệu quả kinh tế cần được đánh giá dựa trên mức nước nóng sử dụng thực tế và lượng điện, gas hoặc nhiên liệu mà hệ thống năng lượng mặt trời có thể thay thế.

Ứng dụng tấm thu nhiệt cho khách sạn và công nghiệp

Khi nhu cầu tăng lên hàng nghìn hoặc hàng chục nghìn lít nước nóng mỗi ngày, thiết kế hệ thống thay đổi đáng kể. Tấm thu cần được ghép thành cụm và phối hợp với bồn bảo ôn, bơm tuần hoàn cùng hệ điều khiển.

Hệ thống tập trung sử dụng tấm phẳng

Nhiều tấm phẳng có thể ghép với nhau để tăng tổng diện tích thu nhiệt.

Megasun hiện sử dụng tấm MGS-FSC2.0 trong các hệ thống nước nóng tập trung OT-FL, với cấu hình số lượng tấm thay đổi theo quy mô hệ thống.

Trong thực tế, MGS-2500BLT cũng được Megasun triển khai tại các dự án khách sạn, bệnh viện và công trình nước nóng tập trung. Ví dụ, hệ thống tại Bệnh viện Hạnh Phúc sử dụng 20 tấm MGS-2500BLT, còn Silverland Mây Hotel sử dụng 30 tấm.

Hệ thống tập trung sử dụng ống chân không

Đối với công trình sử dụng collector chân không, nhiều cụm ống có thể được ghép thành hệ thống thu nhiệt tập trung.

Megasun hiện có dòng MGS-VC1850 được giới thiệu cho hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tập trung và MGS-VCC dạng ống chân không lõi đồng.

Cấu hình cụ thể cần tính theo nhiệt độ nước yêu cầu, lượng nước tiêu thụ và điều kiện bức xạ tại công trình.

Kết hợp với nguồn nhiệt phụ

Hệ thống năng lượng mặt trời phụ thuộc vào bức xạ, vì vậy công trình có yêu cầu nước nóng liên tục thường cần nguồn nhiệt hỗ trợ.

Các giải pháp có thể kết hợp gồm:

• Heat Pump.
• Điện trở.
• Lò hơi hoặc nguồn nhiệt sẵn có.
• Các phương án gia nhiệt khác tùy nhà máy.

Bộ điều khiển có thể ưu tiên năng lượng mặt trời khi điều kiện thuận lợi và chỉ kích hoạt nguồn phụ khi lượng nhiệt thu được không đáp ứng nhu cầu.

Megasun cũng đã triển khai những dự án kết hợp tấm phẳng MGS-2500BLT với Heat Pump và bồn bảo ôn trong cùng hệ thống nước nóng.

Các dòng tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời Megasun

Danh mục tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời của Megasun hiện có cả tấm phẳng và collector ống chân không.

Có thể phân nhóm các model chính theo cấu tạo và quy mô ứng dụng để người dùng dễ lựa chọn hơn.

Tấm phẳng MGS-FSC2.0 và MGS-FSC2.5

MGS-FSC2.0 và MGS-FSC2.5 là các model tấm phẳng được Megasun giới thiệu cho hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời dân dụng và công nghiệp.

Hai model khác nhau về kích thước bề mặt:

• MGS-FSC2.0: khoảng 2.000 × 1.000 mm.
• MGS-FSC2.5: khoảng 2.000 × 1.250 mm.

Số lượng tấm cần lắp phụ thuộc vào nhu cầu nước nóng, dung tích bồn và thiết kế tổng thể của hệ thống.

Tấm phẳng MGS-2000BLT và MGS-2500BLT

MGS-2000BLT và MGS-2500BLT là một nhóm tấm phẳng khác của Megasun. Theo thông tin hãng công bố, các sản phẩm đạt chứng nhận CE và Solar Keymark.

MGS-2500BLT cũng xuất hiện trong nhiều dự án nước nóng tập trung của Megasun, từ khách sạn và bệnh viện đến hệ thống có dung tích hàng chục nghìn lít.

Tấm thu ống chân không MGS-VCC và MGS-VC1850

Megasun hiện có hai dòng đáng chú ý:

• MGS-VCC: collector ống chân không lõi đồng, được sử dụng từ công trình gia đình đến khách sạn và các hệ thống nước nóng quy mô lớn.
• MGS-VC1850: tấm thu ống chân không được Megasun định hướng cho hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tập trung.

Việc lựa chọn giữa hai dòng cần căn cứ vào yêu cầu chịu áp, nhiệt độ, quy mô nước nóng và phương án thiết kế hệ thống.

So sánh nhanh các dòng Megasun

Dòng sản phẩm	Công nghệ	Định hướng sử dụng
MGS-FSC2.0	Tấm phẳng	Dân dụng, hệ nước nóng tập trung
MGS-FSC2.5	Tấm phẳng diện tích lớn hơn	Dân dụng, công trình
MGS-2000BLT	Tấm phẳng	Hệ thống nước nóng
MGS-2500BLT	Tấm phẳng	Khách sạn, bệnh viện, công trình quy mô lớn
MGS-VCC	Ống chân không lõi đồng	Hệ thống cần collector chân không
MGS-VC1850	Ống chân không	Nước nóng tập trung

Bảng trên dùng để định hướng ban đầu. Model và số lượng tấm cuối cùng vẫn cần được xác định theo tải nhiệt thực tế của từng công trình.

Lưu ý khi lắp đặt và vận hành tấm thu nhiệt

Chọn đúng tấm mới chỉ là bước đầu. Hiệu suất thực tế còn phụ thuộc lớn vào hướng lắp, độ nghiêng, tình trạng bề mặt collector và hệ thống đường ống.

Hướng đặt, góc nghiêng và bóng che

Tại Việt Nam, tấm thu thường được bố trí theo hướng có khả năng nhận bức xạ tốt trong ngày, đồng thời cần điều chỉnh góc nghiêng theo vị trí công trình và mục tiêu khai thác theo mùa.

Quan trọng hơn là hạn chế bóng che từ:

• Tường và mái cao hơn.
• Cây xanh.
• Bồn nước.
• Công trình lân cận.
• Các thiết bị kỹ thuật trên mái.

Ngay cả một phần tấm thu bị che trong thời gian dài cũng có thể ảnh hưởng đến sản lượng nhiệt của hệ thống.

Vệ sinh và kiểm soát cáu cặn

Bụi bẩn trên kính hoặc ống thu làm giảm lượng bức xạ tới bề mặt hấp thụ, vì vậy cần vệ sinh định kỳ.

Ngoài bề mặt collector, cần kiểm tra:

• Mối nối đường ống.
• Lớp bảo ôn.
• Lưu lượng tuần hoàn.
• Tình trạng rò rỉ.
• Cáu cặn trong hệ thống.

Với nguồn nước cứng, phương án xử lý nước hoặc thiết kế trao đổi nhiệt phù hợp giúp giảm ảnh hưởng của cặn lên hiệu suất lâu dài.

Kiểm soát áp suất và quá nhiệt

Đối với hệ kín, áp suất phải nằm trong giới hạn thiết kế của tấm thu và các thiết bị liên quan.

Hệ thống cũng cần có phương án xử lý khi lượng nhiệt thu được lớn nhưng nhu cầu sử dụng nước nóng thấp. Tùy thiết kế, giải pháp có thể gồm điều khiển tuần hoàn, xả nhiệt hoặc kết hợp bồn tích trữ phù hợp.

Với công trình lớn, toàn bộ phương án an toàn cần được tính toán ngay từ giai đoạn thiết kế thay vì bổ sung sau khi hệ thống đã đưa vào vận hành.

Kết luận

Tấm thu nhiệt năng lượng mặt trời quyết định khả năng khai thác nguồn nhiệt từ ánh nắng và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống nước nóng. Tùy nhu cầu sử dụng, diện tích lắp đặt và điều kiện bức xạ, có thể cân nhắc tấm phẳng hoặc ống chân không để đạt hiệu quả phù hợp. Megasun cung cấp các dòng tấm thu nhiệt với nhiều cấu hình, đáp ứng từ hệ thống nước nóng gia đình đến công trình quy mô lớn.