EN
Điều chỉnh đầu ra từ các bộ thu nhiệt mặt trời kiểu tấm phẳng để đáp ứng nhu cầu nhiệt của ngành công nghiệp
Các quy trình công nghiệp nhiệt độ thấp và trung bình sử dụng bộ thu nhiệt mặt trời kiểu tấm phẳng
Các bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng phù hợp rất tốt để đáp ứng nhu cầu nhiệt trong các quy trình công nghiệp cần nhiệt ở dải nhiệt độ 60–90°C. Một số quy trình tiêu biểu yêu cầu nhiệt trong dải này bao gồm: làm nóng sơ bộ thực phẩm và đồ uống (60–80°C), nhuộm vải (70–90°C) và tiệt trùng thiết bị, vật liệu (70–85°C). Tất cả các ứng dụng này đều tương thích tốt với giới hạn đầu ra nhiệt của các hệ thống tấm phẳng tiêu chuẩn, bởi vì hiệu suất của các hệ thống này giảm mạnh và đáng kể khi nhiệt độ vượt quá 85°C. Ví dụ, quá trình thanh trùng sữa là một quy trình gia nhiệt được kiểm soát chặt chẽ, yêu cầu nhiệt độ 72–75°C — nằm hoàn toàn trong phạm vi hoạt động của các bộ thu tấm phẳng hiện có. Báo cáo IEA SHC Task 49 chỉ ra rằng các ngành công nghiệp sản xuất sử dụng nhiệt quy trình dưới 90°C chiếm tới 65% tổng năng lượng tiêu thụ trong toàn bộ ngành sản xuất toàn cầu. Điều này nhấn mạnh rằng việc tích hợp năng lượng mặt trời nhiệt một cách có mục tiêu mang lại cơ hội lớn để khử carbon hóa lượng năng lượng tiêu thụ trên toàn cầu.
Nghiên Cứu Trường Hợp Về Các Ứng Dụng Gần Đây trong Việc Làm Nóng Trước cho Các Nhà Máy Bia và Nhuộm Vải.
Các triển khai thực tế xác nhận tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế của những hệ thống này, như được minh họa trong các trường hợp sau.
Một nhà máy bia có trụ sở tại Đức sử dụng bộ thu tấm phẳng đã đạt được mức giảm 40% lượng khí tự nhiên nhờ làm nóng trước nước rửa lên đến 75°C.
Ngoài ra, một cơ sở sản xuất dệt may đã đạt được tỷ lệ năng lượng mặt trời chiếm 68% cho các bể nhuộm (85°C) bằng cách sử dụng các mảng bộ thu được bố trí theo từng giai đoạn cùng với hệ thống lưu trữ nhiệt phân tầng.
Trong điều kiện trời partly mây (mây rải rác) khi có bức xạ thời gian ngắn xuất hiện, cả hai hệ thống đều thể hiện khả năng cung cấp đầu ra ổn định nhờ các lớp phủ hấp thụ chọn lọc được cải tiến, giúp giảm đáng kể tổn thất phát xạ; đồng thời hiệu suất nhiệt của các hệ thống này được chứng minh là cao hơn 12–18% trong điều kiện thực địa so với các hệ thống thế hệ cũ. Điều này cho thấy Công nghệ Tấm Phẳng có thể được tin cậy để đáp ứng các tải nhiệt công nghiệp ổn định khi nhu cầu nhiệt nằm trong phạm vi gần sát với nguồn cung nhiệt mặt trời.
Giới hạn nhiệt độ vận hành của bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng trong ứng dụng công nghiệp.
Tại sao hiệu suất bắt đầu suy giảm khi vượt quá 85°C: Động lực học của tổn thất nhiệt và dữ liệu thực nghiệm từ Nhiệm vụ 69 của IEA SHC
Hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời giảm đáng kể khi nhiệt độ vượt quá 85°C do tổn thất gia tăng do bức xạ và đối lưu. Nhiệt độ của bộ hấp thụ càng cao thì tốc độ bức xạ (theo định luật Stefan-Boltzmann) càng lớn, đồng thời tốc độ đối lưu giữa bộ hấp thụ và lớp kính phủ cũng càng cao. Theo kết quả đo đạc của Nhiệm vụ IEA SHC số 69 (2023), hiệu suất giảm 22% ở 95°C so với 75°C trong cùng điều kiện cường độ bức xạ mặt trời, từ đó khẳng định 85°C là giới hạn thực tiễn đối với các thiết kế bộ thu tấm phẳng thông thường không sử dụng vật liệu cách nhiệt tiên tiến. Do đó, vượt quá nhiệt độ này, tổn thất nhiệt sẽ lớn hơn lượng nhiệt thu được từ mặt trời và các quy trình làm nóng hơi nước trên 100°C là không khả thi nếu không áp dụng công nghệ khác.
Các đổi mới nhằm mở rộng phạm vi nhiệt độ sử dụng: Bộ hấp thụ chọn lọc và thiết kế cách nhiệt chân không lai
Lớp phủ hấp thụ chọn lọc làm tăng đáng kể phạm vi hoạt động bằng cách tối đa hóa khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời của lớp phủ (lên tới 95%) đồng thời giảm phát xạ hồng ngoại (5–10%). Việc kết hợp các chất hấp thụ chọn lọc với các tấm cách nhiệt chân không lai, loại bỏ các đường dẫn tổn thất do đối lưu phía dưới bộ hấp thụ, cho phép các bộ thu tấm phẳng hiện đại duy trì hiệu suất hữu ích ở nhiệt độ lên tới 110°C. Điều này mở ra khả năng ứng dụng các bộ thu trong các lĩnh vực khác như khử trùng cấp cao và sản xuất hơi nước áp lực trung bình. Các thử nghiệm thực địa ban đầu và kiểm tra đã xác nhận rằng các hệ thống này hoạt động trên 90°C sẽ tạo ra năng lượng nhiều hơn khoảng 18% so với các hệ thống tấm phẳng tiêu chuẩn.
Các yếu tố cần cân nhắc khi tích hợp hệ thống cho mục đích công nghiệp liên tục
Lựa chọn chất lỏng truyền nhiệt: So sánh nước có áp lực và hỗn hợp glycol về các yếu tố ăn mòn, bảo vệ chống đóng băng và bảo trì
Việc lựa chọn chất lỏng truyền nhiệt có ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ, độ an toàn và hiệu suất của hệ thống. Nước được duy trì ở áp suất cao có độ dẫn nhiệt cao hơn 15% so với các hỗn hợp glycol (Cơ quan Năng lượng Quốc tế, 2023), từ đó làm tăng sản lượng thu nhiệt từ bộ thu và giảm năng lượng bơm tiêu thụ. Tuy nhiên, trong các môi trường dễ xảy ra đóng băng, các chất lỏng dựa trên glycol (thường là propylen glycol để đáp ứng yêu cầu về độ an toàn thực phẩm) lại có những nhược điểm đáng kể:
- Phân hủy nhiệt do nhiệt độ vượt quá 120°C sinh ra các sản phẩm phụ dạng axit, làm gia tăng tốc độ ăn mòn
- Việc kiểm tra và thay thế chất lỏng hàng năm gây thêm chi phí bảo trì khoảng ~18.000 USD/MWth
- Độ nhớt tăng 35% dẫn đến hiệu suất bơm giảm và tải tổn hao (parasitic load) tăng cao
Các biện pháp phòng ngừa đóng băng mạnh mẽ như hệ thống xả ngược (drain-back) hoặc đường ống chịu được đóng băng có thể được áp dụng trong các hệ thống sử dụng chất lỏng gốc nước. Việc suy giảm chất lỏng theo thời gian dài không phải là vấn đề. Các chất lỏng chứa propylene glycol là bắt buộc trong các môi trường có quy định nghiêm ngặt, ví dụ như chế biến thực phẩm, ngay cả khi chúng có một số nhược điểm.
Bố trí các bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng theo từng cấp độ cho các tải quy trình khác nhau (ví dụ: thanh trùng so với rửa)
Phân chia các mạch nhiệt theo vùng nhiệt độ quy trình cho phép khai thác năng lượng mặt trời hiệu quả hơn trên toàn bộ dải tải biến thiên rộng. Việc tách biệt về mặt không gian giữa các mạch rửa ở nhiệt độ thấp hơn (40–65°C) và các mạch thanh trùng ở nhiệt độ cao hơn (70–85°C) giúp xác định kích thước tối ưu cho các bộ thu năng lượng mặt trời và ưu tiên phân bổ nhiệt. Cách tiếp cận này bao gồm:
- Các mảng bộ thu nối song song được thiết kế riêng cho từng mức nhiệt độ tải cụ thể
- Các van ưu tiên điều hướng nhiệt năng mặt trời tới các quy trình có giá trị cao hơn và nhạy cảm về mặt thời gian
- Các bộ chia dòng điều khiển theo nhiệt độ nhằm bảo vệ các quy trình cấp thấp khỏi bị quá nhiệt
Các nhà máy bia áp dụng phương pháp này đã báo cáo mức giảm tải nồi hơi tới 60% trong giờ cao điểm có ánh sáng mặt trời và thời gian hoàn vốn giảm 22%. Điều này cho thấy việc phân tầng nhiệt trong các quy trình có thể tối ưu hóa giá trị thu được mà không cần thiết kế lại toàn bộ hệ thống từ các tấm pin mặt trời phẳng.
Câu hỏi thường gặp
Giới hạn nhiệt độ của các bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng trong môi trường công nghiệp là bao nhiêu?
Hầu hết các ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, nhuộm vải và thiết bị khử trùng bằng hơi nước đều sử dụng nhiệt trong dải nhiệt độ 60–90°C, và các bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng rất phù hợp cho dải nhiệt này.
Điều gì khiến hiệu suất của các bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng giảm mạnh khi vượt quá 85°C?
Khi nhiệt độ của bộ hấp thụ tăng lên, tổn thất do bức xạ và đối lưu cũng tăng theo, dẫn đến hiệu suất giảm.
Có những cách nào để cải tiến các bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng nhằm đạt được ứng dụng ở nhiệt độ cao hơn?
Trong các ứng dụng hiện đại, lớp phủ hấp thụ chọn lọc và các tấm cách nhiệt chân không lai cho phép bộ thu tấm phẳng hoạt động ở nhiệt độ lên đến 110°C, từ đó mở rộng phạm vi ứng dụng.
Một số vấn đề bảo trì liên quan đến việc sử dụng glycol làm chất truyền nhiệt là gì?
Các chất lỏng truyền nhiệt có độ nhớt cao hơn và hoạt động kém hiệu quả hơn, có xu hướng gây ăn mòn ở nhiệt độ cao (giảm chất lượng khi vượt quá 120°C), đồng thời đòi hỏi kiểm tra, thay thế thường xuyên hơn cũng như chi phí liên quan cao hơn.
Một số ưu điểm của việc phân vùng nhiệt độ trong hệ thống năng lượng mặt trời công nghiệp là gì?
Việc áp dụng phân vùng hoặc phân đoạn mạch nhiệt theo cấp độ quy trình cho phép khai thác năng lượng mặt trời một cách hiệu quả nhất ở các mức nhiệt độ khác nhau, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể và giá trị của hệ thống.