Các chất lỏng truyền nhiệt nào được sử dụng trong hệ thống nhiệt mặt trời Demax?

Các lựa chọn chính cho chất lỏng truyền nhiệt trong hệ thống nhiệt mặt trời Demax

Nước: Tối ưu cho các hệ thống Demax lắp đặt ở nhiệt độ thấp và có áp lực

Đối với các ứng dụng nhiệt mặt trời hoạt động ở nhiệt độ dưới 100 độ C, nước vẫn là một trong những lựa chọn kinh tế và hiệu quả nhất hiện có làm chất truyền nhiệt. Các đặc tính ưu việt của nước bắt nguồn từ dung nhiệt riêng tương đối cao (khoảng 4,18 kJ trên kg.K), đồng thời yêu cầu ít năng lượng bơm. Khi làm mát bằng hệ thống Demax có áp suất, nước là lựa chọn lý tưởng vì nó không thể sôi, đồng thời an toàn và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, nước đóng băng ở 0 độ C, do đó các hệ thống này chỉ có thể vận hành tại những khu vực không có sương giá. Khi hệ thống có nguy cơ bị đóng băng do điều kiện mùa đông, kỹ thuật viên phải xả hoàn toàn nước để tránh hư hỏng. Các số liệu hiệu suất từ các hộ gia đình ở vùng Địa Trung Hải lục địa cho thấy rằng vào năm 2023, Liên đoàn Công nghiệp Nhiệt Mặt trời Châu Âu (ESTIF) đã chứng minh các hệ thống sử dụng nước đạt hiệu suất theo mùa khoảng 60%.

Các giải pháp tập trung vào an toàn và bảo vệ chống đóng băng

Khi nói đến khả năng chống đóng băng, các hỗn hợp propylene glycol và nước cho thấy nhiều tiềm năng. Chúng vẫn hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ xuống tới âm 30 độ Celsius và ít nguy hiểm hơn các lựa chọn khác sử dụng ethylene glycol—loại có thể gây nguy hiểm khi rò rỉ. Các hỗn hợp này cũng ngăn ngừa ăn mòn khi hệ thống được lắp đặt đúng theo hướng dẫn kỹ thuật, chẳng hạn như sử dụng thép không gỉ và một số loại nhựa nhất định. Tuy nhiên, nhược điểm là hỗn hợp propylene glycol/nước có độ nhớt cao hơn nước từ 30 đến 50% ở nhiệt độ 20 độ Celsius, do đó các bơm phải vận hành với công suất lớn hơn. Dù vậy, nhờ khả năng chịu nhiệt độ thấp vượt trội, chúng vẫn là chất truyền nhiệt được ưu tiên lựa chọn tại phần lớn khu vực Bắc Mỹ và Bắc Âu. Gần đây, các nhà sản xuất còn đạt được cải tiến bằng cách bổ sung vào dung dịch các hóa chất đặc thù do họ tự phát triển nhằm làm chậm tốc độ phân hủy của dung dịch. Khi được kiểm tra trong các hệ thống Demax khép kín theo tiêu chuẩn ngành quy định, tuổi thọ dự kiến của các dung dịch này là từ 5 đến 7 năm.

Chất lỏng silicone ổn định về mặt nhiệt và không khí: Các ứng dụng chuyên biệt trong lĩnh vực nhiệt năng mặt trời mà không cần áp suất và ở nhiệt độ cao

Các chất lỏng truyền nhiệt dạng silicone là những chất lỏng duy nhất có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài trong các hệ thống nhiệt năng mặt trời tập trung kiểu vòng hở không chịu áp suất, vận hành ở nhiệt độ cao từ 200 đến 400 °C. Các chất lỏng silicone cũng sở hữu khả năng truyền nhiệt cần thiết để sử dụng trong dải nhiệt độ cao của các hệ thống nhiệt năng mặt trời tập trung. Tuy nhiên, các chất lỏng truyền nhiệt này không được sử dụng trong các hệ thống mà không khí là môi chất làm việc. Không khí, khi kết hợp với các hệ thống vòng hở, mang lại độ tin cậy vận hành và tính dễ bảo trì cho các hệ thống nhiệt năng mặt trời không chịu áp suất. Sự kết hợp giữa những chất lỏng chuyên biệt này, ngay cả khi đã được tối ưu hóa, vẫn chiếm chưa đến 15 phần trăm tổng số lắp đặt nhiệt năng mặt trời trên toàn cầu.

Con số đó được lấy từ phân tích thị trường mới nhất của Cơ quan Năng lượng Quốc tế trong sáng kiến SolarPACES năm 2024.

Các tiêu chí lựa chọn chính đối với chất lỏng truyền nhiệt nhiệt mặt trời

Độ ổn định nhiệt và khả năng chống suy giảm

Với các chất lỏng truyền nhiệt (HTF) trong các ứng dụng nhiệt mặt trời, chúng được kỳ vọng phải ổn định về mặt hóa học trong thời gian dài, thậm chí phải duy trì ở nhiệt độ khoảng 200 độ C trong thời gian kéo dài (thậm chí nhiều năm) trong một số trường hợp. Khi các chất lỏng không ổn định về mặt hóa học, điều này sẽ gây ra những hệ lụy tiêu cực đối với toàn bộ hệ thống, bao gồm cả việc suy giảm hiệu suất nhiệt. Trong một số trường hợp đã được ghi nhận, hiệu suất nhiệt của chất lỏng đã giảm tới 22% trong vòng năm năm. Nguyên nhân thường là do độ nhớt tăng lên do quá trình oxy hóa chất lỏng và sau đó hình thành cặn bẩn. Những điều kiện như vậy cũng dẫn đến nhu cầu bảo trì tăng cao và hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt suy giảm. Mặc dù các chất ức chế oxy hóa có thể làm giảm bớt một số vấn đề nêu trên, song cần tập trung hơn vào tính tương thích giữa chất lỏng và vật liệu cấu thành hệ thống theo thời gian. Các vật liệu hệ thống như đồng, nhôm và ngay cả cao su trong một số gioăng van có thể xảy ra nhiều loại phản ứng hóa học khác nhau với chất lỏng theo thời gian. Đặc biệt, đối với các hệ thống Demax có áp lực, tốc độ ăn mòn được ước tính cao hơn khoảng 30% khi sử dụng các chất lỏng ổn định so với khi sử dụng các chất lỏng không ổn định.

Loại hao mòn này không chỉ đơn thuần làm giảm tuổi thọ của thiết bị mà còn làm tăng đáng kể ngân sách bảo trì trong dài hạn.

Lựa chọn chất lỏng theo các vùng khí hậu trên thị trường nhiệt năng mặt trời tại Bắc Mỹ và Châu Âu

Việc lựa chọn chất lỏng phải tuân thủ nghiêm ngặt các điều kiện khí hậu khắc nghiệt nhất tại khu vực lắp đặt.

1. Các nước Bắc Âu và Trung Âu: Phải đảm bảo khả năng bảo vệ ở nhiệt độ –30°C. Vì mục đích này, hỗn hợp propylene glycol và nước theo tỷ lệ 50:50 là tiêu chuẩn thực tế cho các hệ thống Demax triển khai ở vùng khí hậu lạnh, vì hỗn hợp này duy trì hiệu suất truyền nhiệt trên 85% so với nước.

2. Địa Trung Hải và Tây Nam Hoa Kỳ: Nhiệt độ đình trệ thường vượt quá 300°C. Do đó, nhiệt độ đình trệ đòi hỏi độ ổn định ở nhiệt độ cao kết hợp với áp suất hơi thấp. Trong khía cạnh này, silicone vượt trội hơn glycol vì áp suất hơi của silicone thấp hơn 40% so với glycol ở nhiệt độ vận hành cực đại, từ đó làm giảm tần suất kích hoạt van xả áp suất và do đó hạn chế tổn thất chất lỏng.

3. Đông Bắc Hoa Kỳ – ví dụ điển hình về khí hậu hỗn hợp: Cần thiết phải có thiết kế bảo vệ kép. Thế hệ bọt hydrocarbon mới nhất có khả năng duy trì tính bơm được ở nhiệt độ dưới –25°C và chịu được suy giảm nhiệt ở nhiệt độ lên tới 290°C. Điều này cho phép vận hành an toàn trong suốt cả năm mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất.

Mặc dù việc sử dụng chúng làm tăng độ nhớt lên 12–15%, dẫn đến nỗ lực bơm lớn hơn và đường kính xi-lanh bơm lớn hơn, nhưng xu hướng sử dụng các chất lỏng có độ ổn định nhiệt cao hơn là rõ rệt, bất chấp những ràng buộc an toàn bổ sung mà chúng gây ra.

So sánh hiệu suất về mặt hiệu quả, an toàn và khả năng tương thích hệ thống trong các ứng dụng nhiệt mặt trời

Các đánh đổi về đặc tính nhiệt vật lý liên quan đến nhiệt dung riêng, độ nhớt và năng lượng bơm trong xét nghiệm dòng chảy đối với năng suất nhiệt mặt trời

Hiệu suất nhiệt tổng thể của mỗi chất lỏng đã được phân tích liên quan đến ba đặc tính vật lý – hóa học của chất lỏng đó: khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt (nhiệt dung riêng), độ nhớt (độ dày) và sự phân hủy nhiệt (độ ổn định nhiệt). Nước là một chất hấp thụ năng lượng nhiệt xuất sắc (nhiệt dung riêng khoảng 4,18 kJ trên kg trên độ K). Tuy nhiên, khi sử dụng nước trong các hệ thống này sẽ phát sinh vấn đề do nhiệt độ có thể giảm xuống dưới điểm đóng băng. Trong những trường hợp như vậy, việc sử dụng hỗn hợp glycol là cần thiết, dù các chất lỏng này có độ nhớt cao hơn nước từ 30 đến 50 %. Độ cản do độ nhớt gia tăng này đòi hỏi bơm phải thực hiện nhiều công hơn, thường dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng tăng 15–30 % trong các hệ thống công nghiệp quy mô lớn, làm giảm lượng năng lượng mặt trời thu được ròng. Mặc dù độ nhớt của các chất lỏng silicone giảm khi được đun nóng, nhưng nhiệt dung riêng của chúng chỉ nằm trong khoảng 1,5–1,8 kJ. Do đó, người vận hành sử dụng chất lỏng silicone sẽ cần tăng lưu lượng chất lỏng lên gấp hai lần so với khi sử dụng nước. Việc quản lý chất lỏng như vậy làm gia tăng nhu cầu về các bơm có kích thước lớn hơn, làm tăng chi phí điện năng và làm tăng gánh nặng bảo trì.

Việc kiểm tra thực tế tại các nhà máy năng lượng mặt trời sử dụng hệ thống gương parabol dạng rãnh đã xác nhận rằng việc sử dụng chất lỏng và bơm không tương thích có thể làm giảm công suất nhiệt từ 12 đến 18 phần trăm theo thời gian. Đặc biệt, các chất lỏng kém chất lượng bị phân hủy nhanh hơn và sau chỉ 5 năm có thể trở nên đặc quánh hơn từ 50 đến 80 phần trăm, ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy. Do đó, các kỹ sư về cơ bản phải đánh giá từng loại chất lỏng mới với mọi thành phần trong hệ thống mà nó sẽ tiếp xúc, bao gồm cả bình giãn nở, van và đặc biệt là các bộ trao đổi nhiệt kiểu tấm hàn.

Các câu hỏi thường gặp

Lợi ích chính khi sử dụng nước làm chất dẫn nhiệt trong các hệ thống Demax là gì?

Nước hiệu quả hơn trong việc truyền tải nhiệt vì có dung nhiệt riêng cao hơn so với các chất lỏng khác. Việc ứng dụng ở nhiệt độ thấp trong các khu vực không có sương giá và tổn thất năng lượng bơm thấp khiến nước trở thành chất dẫn nhiệt được ưu tiên hàng đầu.

Ưu điểm của việc sử dụng hỗn hợp propylen glycol/nước trong khí hậu lạnh là gì?

Các hỗn hợp này đặc hơn nước và an toàn hơn các lựa chọn dựa trên ethylene glycol. Chúng là lựa chọn ưu tiên ở các vùng lạnh do khả năng chịu nhiệt độ thấp và độ nhớt cao, đặc biệt tại Bắc Mỹ và Bắc Âu.

Đặc tính nào của chất lỏng silicone cho phép chúng được sử dụng trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao?

Chất lỏng silicone sở hữu độ ổn định nhiệt vượt trội, nhờ đó có thể được sử dụng trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như trong các hệ thống nhiệt mặt trời tập trung. Hơn nữa, chất lỏng silicone có áp suất hơi thấp, giúp giảm thiểu nguy cơ kích hoạt van xả áp suất ở nhiệt độ đỉnh điểm.

Việc lựa chọn tiêu chí ảnh hưởng như thế nào đến khí hậu khu vực khi chọn chất lỏng truyền nhiệt?

Để tối đa hóa độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống, cần sử dụng chất lỏng truyền nhiệt có khả năng chống đông ở các vùng lạnh, trong khi nên sử dụng các chất lỏng có độ ổn định nhiệt cao ở các vùng nóng.