Nhiệt mặt trời
Các hệ thống khai thác nhiệt mặt trời là một giải pháp năng lượng hồi phục đầy triển vọng – mặt trời là một nguồn tài nguyên dồi dào. Ngoại trừ vào ban đêm. Hay khi mặt trời bị mây che. Các hệ thống dự trữ nhiệt năng (TES) là những bể chứa chất lỏng áp suất cao sử dụng cùng với một hệ thống nhiệt mặt trời cho phép nhà máy hoạt động thêm vài giờ đồng hồ sau khi mặt trời đã lặn. Dự trữ vào giờ cao điểm là một yếu tố then chốt đối với hiệu quả của các nhà máy nhiệt điện mặt trời.
Ba công nghệ TES chính đã được thử nghiệm kể từ thập niên 1980 khi những nhà máy nhiệt điện mặt trời đầu tiên được xây dựng: hệ thống trực tiếp hai-bể, hệ thống gián tiếp hai-bể, và hệ thống dị nhiệt một-bể.
Trong một hệ thống trực tiếp hai-bể, năng lượng nhiệt mặt trời được dự trữ ngay trong chất lỏng truyền nhiệt thu gom nó. Chất lỏng đó được chia làm hai bể, một bể dự trữ nó ở một nhiệt độ thấp và bể kia ở một nhiệt độ cao. Chất lỏng dự trữ ở bể nhiệt độ thấp chảy qua bộ thu nhiệt mặt trời của nhà máy điện, ở đó nó được làm nóng lên trở lại rồi gửi đến bể nhiệt độ cao. Chất lỏng dự trữ ở bể nhiệt độ cao được gửi qua một bộ trao đổi nhiệt tạo ra hơi nước, cái sau đó được dùng để sản xuất điện năng trong máy phát điện. Và một khi đã đi qua bộ trao đổi nhiệt, chất lỏng đó chảy trở lại bể nhiệt độ thấp.
Trong một hệ thống gián tiếp hai-bể, các chức năng về cơ bản giống như hệ thống trực tiếp, ngoại trừ là nó làm việc với các loại chất lỏng truyền nhiệt khác nhau, chúng thường là đắt tiền và không được dự trù dùng làm chất lỏng trữ nhiệt. Để khắc phục vấn đề này, các hệ thống gián tiếp cho các chất lỏng nhiệt độ thấp chảy qua một bộ trao đổi nhiệt bổ sung.
Không giống như các hệ thống hai-bể, hệ thống dị nhiệt một-bể dữ trữ nhiệt năng ở dạng rắn, thường là cát silica. Bên trong bể, các phần chất rắn được giữ ở áp suất từ thấp đến cao, trong một gradient nhiệt độ, tùy thuộc vào dòng chất lỏng. Vì các mục đích dự trữ, chất lỏng nóng truyền nhiệt chảy vào phần trên của bể và lạnh đi khi nó tràn xuống dưới, thoát ra là một chất lỏng nhiệt độ thấp. Để tạo ra hơi nước và sản xuất điện, quá trình được đảo ngược lại.
Các hệ thống nhiệt mặt trời sử dụng dầu khoáng hoặc muối nóng chảy làm môi trường truyền nhiệt rất tốt cho TES, nhưng thật đáng tiếc không được nghiên cứu thêm, các hệ thống chạy trên nước/hơi nước thì không thể dự trữ nhiệt năng. Những tiến bộ khác về các chất lỏng truyền nhiệt bao gồm nghiên cứu về các chất lỏng thay thế, sử dụng các vật liệu biến đổi pha và các khái niệm dự trữ nhiệt mới lạ nhằm cắt giảm chi phí dự trữ và cải thiện hiệu quả và hiệu suất năng lượng.
Nhà kính nhiệt mặt trời
Ý tưởng sử dụng các vật liệu khối trữ nhiệt để dự trữ năng lượng mặt trời có khả năng áp dụng không chỉ cho các nhà máy nhiệt điện mặt trời quy mô lớn và các cơ sở dự trữ năng lượng. Ý tưởng đó có thể hoạt động trong trường hợp dễ gặp hơn dưới dạng nhà kính.
Các nhà kính bẫy năng lượng mặt trời vào ban ngày, thông thường là khai thác lợi thế đối mặt về phương nam và mái dốc để tăng tối đa sự phơi sáng. Nhưng một khi mặt trời đã lặn, người nông dân sẽ làm gì? Các nhà kính nhiệt mặt trời có khả năng duy trì sức ấm và sử dụng nó để làm ấm nhà kính vào ban đêm.
Đá, xi măng và nước hoặc các thùng chứa nước đều có thể dùng làm vật liệu khối nhiệt thụ động, đơn giản, bắt giữ nhiệt của mặt trời vào ban ngày và phát xạ nhiệt đó trở lại vào ban đêm.
Lisa Kivirist và John Ivanko đứng cạnh hệ thống nhiệt mặt trời làm ấm nhà kính của họ. (AP Photo/ Andy Manis)
Tham vọng to hơn nữa ư? Hãy ứng dụng các ý tưởng sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện mặt trời (mặc dù ở quy mô nhỏ hơn nhiều). Các nhà kính nhiệt mặt trời, còn gọi là nhà kính mặt trời chủ động, đòi hỏi yêu cầu căn bản giống như bất kì hệ thống nhiệt mặt trời nào khác: một bộ thu mặt trời, một bể chứa nước, hệ thống ống dẫn (chôn dưới đất), một máy bơm đẩy môi trường truyền nhiệt (không khí hoặc nước) trong bộ thu mặt trời đến bộ phận dự trữ và nguồn điện (hay bất kì nguồn năng lượng nào khác) để vận hành máy bơm.
Trong một kịch bản, không khí thu gom ở phần chóp đỉnh của mái nhà kính được thổi qua các ống dẫn đi xuống đất. Vào ban ngày, không khí này nóng và làm ấm mặt đất. Vào ban đêm, không khí lạnh được thổi luồng xuống vào các ống. Mặt đất ấm làm nóng không khí lạnh, thành ra làm ấm nhà kính. Đôi khi nước được sử dụng làm môi trường truyền nhiệt. Nước được chứa cùng với nhiệt mặt trời trong bể chứa ngoài và sau đó bơm vào các ống làm ấm nhà kính.
>> Xem Phần 2
Ống khói nhiệt mặt trời
Giống hệt như các nhà kính mặt trời là một cách ứng dụng các công nghệ nhiệt mặt trời cho nhu cầu hàng ngày, các ống khói nhiệt mặt trời, hay ống khói nhiệt, cũng khai thác các vật liệu khối nhiệt. Ống khói nhiệt là những hệ thống thông hơi mặt trời thụ động, nghĩa là chúng không hoạt động theo cơ giới. Ví dụ của hệ thống thông hơi cơ giới là hệ thống thông hơi cho toàn căn nhà sử dụng quạt và ống dẫn để tống không khí cũ ra ngoài và cấp vào không khí mới. Thông qua các nguyên lí làm nguội bằng đối lưu, các ống khói nhiệt cho phép không khí lạnh đi vào đồng thời đẩy không khí nóng từ bên trong ra ngoài. Được thiết kế dựa trên thực tế là không khí nóng bốc lên cao, chúng làm giảm lượng nhiệt không mong muốn vào ban ngày và trao đổi không khí (ấm) bên trong với không khí (lạnh) bên ngoài.
Các ống khói nhiệt thường được làm bằng vật liệu khối nhiệt rỗng, màu đen với miệng hở ở phía trên cho không khí nóng thoát ra ngoài. Các miệng vào thì nhỏ hơn các miệng ra và được đặt ở độ cao từ thấp tới trung bình trong phòng. Khi không khí nóng dâng lên, nó thoát qua miệng thoát ngoài, hoặc thoát ra ngoài hoặc vào khoảng trống cầu thang. Khi không khí nóng thoát ra, không khí bị hút vào qua các miệng vào.
Trước tình trạng ấm lên toàn cầu, chi phí nhiên liệu leo thang và nhu cầu năng lượng không ngừng tăng lên, dự báo nhu cầu sử dụng năng lượng tăng gần tương đương 335 triệu thùng dầu mỗi ngày, chủ yếu là nhu cầu sử dụng điện năng. Dù quy mô lớn hay nhỏ, dù có hòa vào lưới điện hay không, nhưng một trong những lợi thế lớn của điện mặt trời là nó có sẵn ngay lúc này, không phải chờ đợi gì cả. Bằng cách tập trung năng lượng với các vật liệu phản xạ và biến đổi hó thành điện năng, các nhà máy nhiệt điện mặt trời, nếu được chấp nhận chính thức là một phần không thể thiếu của lĩnh vực cung ứng điện, có khả năng cấp điện cho hơn 100 triệu người dân trong 20 năm sắp tới. Tất cả khai thác từ một nguồn hồi phục vĩ đại: mặt trời của chúng ta.
Tổng hợp từ HowStuffWork.com và nhiều nguồn khác
