Hệ thống nhiệt mặt trời (Solar Thermal) hoạt động dựa trên việc thu bức xạ mặt trời và biến đổi nó thành nhiệt năng, sau đó truyền nhiệt sang nước hoặc chất tải nhiệt để sử dụng. Nguyên lý bao gồm các bước chính:
Thu bức xạ mặt trời (Solar Radiation Capture)
Thu bức xạ mặt trời là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong hệ thống nhiệt mặt trời. Quá trình này gồm các điểm chính:
1. Nguồn bức xạ mặt trời (Solar Radiation Source)
Bức xạ mặt trời là năng lượng điện từ do Mặt Trời phát ra và truyền qua không gian đến Trái Đất dưới dạng sóng điện từ. Đây là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào, liên tục và là cơ sở cho mọi hệ thống năng lượng mặt trời — từ điện mặt trời (PV) đến nhiệt mặt trời (Solar Thermal).
Thành phần của bức xạ mặt trời
Bức xạ đến Trái Đất gồm ba dải chính:
- Tia cực tím (UV) – chiếm khoảng ~5%
- Ánh sáng nhìn thấy (Visible Light) – khoảng ~43%
- Tia hồng ngoại (IR) – khoảng ~52%
Trong đó tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy là hai thành phần chính được hệ thống nhiệt mặt trời (solar thermal) hấp thụ để tạo nhiệt.
Các loại bức xạ khi đến bề mặt Trái Đất
Bức xạ mặt trời tới bộ thu (collector) bao gồm:
Bức xạ trực tiếp (Direct Radiation)
- Đi theo đường thẳng từ mặt trời đến bề mặt thu.
- Có cường độ mạnh nhất.
- Quyết định hiệu suất của các hệ thống solar thermal.
Bức xạ tán xạ (Diffuse Radiation)
- Bị tán xạ bởi khí quyển, mây, bụi, hơi nước.
- Vẫn có thể được thu bởi tấm thu nhiệt, nhưng hiệu suất thấp hơn.
Bức xạ phản xạ từ mặt đất (Reflected Radiation – Albedo)
- Một phần ánh sáng phản xạ ngược lên collector.
- Phụ thuộc vào độ sáng của bề mặt (ví dụ: bê tông → phản xạ tốt hơn đất cỏ).
Cường độ bức xạ mặt trời (Solar Irradiance)
- Đơn vị đo: W/m²
- Giá trị cực đại khoảng 1000 W/m² vào buổi trưa trời quang mây.
- Với Việt Nam, trung bình năm 4,5–5,2 kWh/m²/ngày, rất thuận lợi cho hệ thống nhiệt mặt trời.
Các yếu tố ảnh hưởng
Một số yếu tố làm thay đổi lượng bức xạ mà bộ thu hấp thụ:
- Vị trí địa lý (vĩ độ, độ cao)
- Thời tiết, mây, sương mù, bụi mịn
- Mùa trong năm
- Góc nghiêng và hướng lắp đặt của hệ thống
Vai trò trong hệ thống nhiệt mặt trời
Nguồn bức xạ mặt trời là năng lượng đầu vào cơ bản của quá trình:
Ánh sáng → Hấp thụ → Chuyển hóa thành nhiệt → Truyền sang nước/chất tải nhiệt
Hiệu quả của toàn bộ hệ thống phụ thuộc lớn vào:
- cường độ bức xạ,
- thời gian chiếu sáng,
- thiết kế bề mặt hấp thụ.
2. Bộ thu nhiệt (Solar Collector) hấp thụ bức xạ
Bộ thu nhiệt (Solar Collector) là thành phần cốt lõi trong hệ thống nhiệt mặt trời, có nhiệm vụ thu ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành nhiệt. Thiết bị này được thiết kế để hấp thụ tối đa bức xạ và giảm thiểu thất thoát nhiệt ra môi trường.
Cấu tạo chung của bộ thu nhiệt
Dù là tấm thu phẳng hay ống chân không, bộ thu nhiệt đều có những thành phần cơ bản:
Lớp hấp thụ (Absorber Plate) – lớp quan trọng nhất
- Là tấm kim loại (đồng, nhôm) phủ lớp hấp thụ chọn lọc (selective coating).
- Lớp phủ giúp:
+ Hấp thụ mạnh bức xạ mặt trời (tăng hiệu suất quang nhiệt).
+ Giảm phát xạ nhiệt ngược ra không khí (giảm thất thoát).
Hệ thống ống dẫn nhiệt
- Ống đồng hoặc ống thủy tinh chịu nhiệt.
- Có nhiệm vụ truyền nhiệt từ tấm hấp thụ sang nước hoặc chất tải nhiệt.
Lớp cách nhiệt phía sau
- Giảm thất thoát nhiệt ra môi trường.
- Giúp duy trì hiệu suất khi thời tiết lạnh hoặc nhiều gió.
Lớp kính cường lực (đối với tấm phẳng)
- Giảm tản nhiệt đối lưu.
- Tăng hiệu quả hấp thụ nhờ hiệu ứng nhà kính.
Cơ chế hấp thụ bức xạ
Bước 1: Ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt hấp thụ
- Gồm tia UV, ánh sáng nhìn thấy, và tia hồng ngoại.
- Lớp phủ chọn lọc hấp thụ gần như toàn bộ các tia này.
Bước 2: Chuyển đổi ánh sáng → nhiệt
- Năng lượng photon làm tấm hấp thụ nóng lên.
- Đây là quá trình photothermal conversion.
Bước 3: Truyền nhiệt sang chất tải nhiệt
- Nhiệt được truyền theo cơ chế dẫn nhiệt → đối lưu trong ống dẫn.
- Làm nóng nước hoặc glycol trong hệ thống.
Phân loại bộ thu nhiệt
Bộ thu tấm phẳng (Flat-Plate Collector)
- Có kính phía trên, tấm hấp thụ phẳng bên dưới.
- Bền bỉ, phù hợp hệ thống dân dụng.
Bộ thu ống chân không (Evacuated Tube Collector)
- Gồm nhiều ống thủy tinh tạo chân không → giảm thất thoát nhiệt.
- Hiệu suất cao hơn, đặc biệt trong môi trường lạnh.
Bộ thu dạng tập trung (Concentrating Collector)
- Dùng gương hoặc thấu kính để tập trung ánh sáng vào một ống hấp thụ nhỏ.
- Tạo nhiệt độ rất cao (150–400°C).
- Dùng trong công nghiệp hoặc nhà máy CSP.
Vai trò của bộ thu nhiệt trong hệ thống
- Là “trái tim” của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời.
- Quyết định 85–95% hiệu suất chuyển đổi quang-nhiệt.
- Ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng nhiệt, tốc độ làm nóng, và giảm chi phí điện/gas.
3. Các loại bức xạ được thu bởi bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời
Bộ thu nhiệt (dạng ống chân không hoặc tấm phẳng) hấp thụ 3 thành phần chính của bức xạ mặt trời:
Bức xạ trực tiếp (Direct Beam Radiation)
- Là bức xạ đi thẳng từ Mặt Trời đến bề mặt collector.
- Có cường độ mạnh nhất.
- Hiệu quả thu nhiệt cao, đặc biệt với hệ ống chân không và parabolic trough.
👉 Đây là nguồn năng lượng chính cho các hệ solar thermal.
Bức xạ tán xạ (Diffuse Radiation)
- Là bức xạ bị tán xạ bởi khí quyển, mây, bụi… trước khi đến collector.
- Không theo một hướng nhất định, đến từ mọi phía trên bầu trời.
- Collector tấm phẳng (flat-plate collector) thu tốt loại bức xạ này.
👉 Dù trời mát, collector vẫn có thể sinh nhiệt nhờ bức xạ tán xạ.
Bức xạ phản xạ (Reflected Radiation / Albedo Radiation)
- Là bức xạ bị phản xạ từ mặt đất, tường, mái nhà hoặc các bề mặt sáng màu.
- Góp phần gia tăng tổng năng lượng nhận được.
- Quan trọng khi collector đặt gần bề mặt bê tông, gạch sáng, hoặc khu vực có tuyết (hệ thống ở vùng lạnh).
Tổng bức xạ mặt trời nhận được
Collector thực tế thu Global Solar Radiation (GHI):
GHI = Direct + Diffuse + Reflected
Tùy loại collector mà hiệu suất thu từng loại khác nhau:
- Ống chân không: thu tốt direct, tốt cả diffuse nhờ cấu trúc ống.
- Tấm phẳng: thu tốt direct + diffuse, ít phụ thuộc hướng.
- Collector có gương hội tụ: chủ yếu thu direct.
4. Yếu tố tối ưu hóa việc thu bức xạ
Góc nghiêng (Tilt Angle)
- Góc nghiêng phù hợp giúp collector vuông góc với tia mặt trời nhiều nhất.
- Thường tối ưu khi góc nghiêng ≈ vĩ độ địa phương ± 10° tùy mùa:
+ Tối ưu quanh năm: = vĩ độ
+ Tối ưu mùa đông: vĩ độ + 10°
+ Tối ưu mùa hè: vĩ độ – 10°
Hướng lắp đặt (Orientation)
- Ở Việt Nam, hướng tốt nhất là chính Nam (South-facing).
- Tránh bị che bóng bởi: mái nhà, cây, cột điện, tòa nhà…
Hạn chế bóng che (Shading)
- Chỉ cần che 10% diện tích cũng có thể giảm hiệu suất gần 30%.
- Kiểm tra bóng che buổi sáng – trưa – chiều.
Chất lượng vật liệu hấp thụ (Absorber Material)
Bề mặt hấp thụ dạng Selective Coating (như Al-N/Al, TiNOx, chrome selective…) giúp:
- Hấp thụ nhiệt cao (α > 0.9)
- Phát xạ nhiệt thấp (ε < 0.2)
→ Tăng hiệu suất thu bức xạ đáng kể.
Hiệu suất truyền nhiệt (Heat Transfer Efficiency)
- Ống dẫn nhiệt tiếp xúc tốt với tấm hấp thụ.
- Chất tải nhiệt có độ dẫn nhiệt cao (nước, glycol…).
- Giảm tổn thất do kết nối không kín hoặc không đồng đều.
Giảm tổn thất nhiệt (Thermal Losses)
- Tấm phẳng: dùng kính cường lực low-iron hạn chế thất thoát.
- Ống chân không: hiệu quả cao hơn vì giảm tản nhiệt qua đối lưu.
- Lớp cách nhiệt dày và chất lượng tốt (PU, bông khoáng).
Điều kiện khí quyển
- Lượng bụi, độ ẩm, mây ảnh hưởng mạnh đến bức xạ.
- Vệ sinh collector định kỳ để tránh giảm truyền sáng kính.
Tối ưu lưu lượng chất tải nhiệt
- Lưu lượng quá thấp → nước quá nóng → tổn thất cao.
- Lưu lượng quá cao → không kịp trao đổi nhiệt.
→ Cần điều chỉnh theo thông số nhà sản xuất.
Bề mặt xung quanh (Albedo)
- Bề mặt sáng màu (gạch sáng, bê tông nhạt) tăng bức xạ phản xạ (reflected radiation) → collector thu được nhiều hơn.
Điều khiển thông minh (Smart Control)
- Cảm biến nhiệt độ, cảm biến bức xạ.
- Điều khiển lưu lượng hoặc bơm tuần hoàn tự động để luôn vận hành ở điểm tối ưu.
Chuyển đổi ánh sáng → nhiệt (Photothermal Conversion)
Bước 1: Thu photon từ ánh sáng mặt trời
Nguồn năng lượng: Ánh sáng mặt trời bao gồm:
- Tia hồng ngoại (IR) – 52% năng lượng mặt trời, chủ yếu sinh nhiệt.
- Ánh sáng nhìn thấy (VIS) – 43% năng lượng, cũng góp phần làm nóng vật liệu hấp thụ.
- Tia tử ngoại (UV) – 5%, ít năng lượng nhưng có khả năng kích thích electron trong vật liệu.
Collector (tấm hấp thụ):
- Bề mặt sơn màu đen hoặc tối → hấp thụ tốt các photon.
- Selective coating (lớp phủ chọn lọc) → hấp thụ năng lượng mặt trời nhưng hạn chế bức xạ nhiệt trở lại môi trường → tăng hiệu suất.
Bước 2: Quá trình biến đổi năng lượng photon → nhiệt
Khi photon chiếu vào bề mặt hấp thụ, năng lượng photon được vật liệu hấp thụ nhận:
- Photon va chạm vào electron trong vật liệu.
- Electron dao động và va chạm liên tục với các phân tử lân cận.
- Va chạm liên tục → sinh nhiệt (tăng động năng của phân tử, tức là nhiệt năng).
Hiệu ứng quang-nhiệt (Photothermal Effect):
- Đây là cơ chế chính biến năng lượng bức xạ → năng lượng nhiệt.
- Hiệu suất phụ thuộc vào:
+ Chất liệu tấm hấp thụ (độ dẫn nhiệt, khả năng hấp thụ photon).
+ Màu sắc và lớp phủ (giảm phản xạ, hạn chế thất thoát nhiệt).
Bước 3: Truyền nhiệt vào nước hoặc chất tải nhiệt
Cơ chế dẫn nhiệt (Conduction):
- Nhiệt từ tấm hấp thụ → ống dẫn nước hoặc chất tải nhiệt.
- Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vật liệu tấm và ống dẫn.
Cơ chế đối lưu (Convection):
- Nước hoặc chất tải nhiệt lưu thông bên trong ống, mang nhiệt đi khắp hệ thống.
- Có thể đối lưu tự nhiên (thermosiphon) hoặc đối lưu cưỡng bức (bơm).
Bước 4: Kiểm soát và tối ưu hiệu suất
- Giảm thất thoát nhiệt: ống chân không (Evacuated tube) → không khí gần như bị hút chân không, giảm truyền nhiệt ra môi trường.
- Lớp phủ chọn lọc: hấp thụ nhiều photon nhưng phát xạ nhiệt ít → giữ nhiệt tốt.
- Thiết kế tấm hấp thụ: tăng diện tích tiếp xúc với ánh sáng → nhiều photon hấp thụ → nhiều nhiệt sinh ra.
Truyền nhiệt sang nước hoặc chất tải nhiệt
1. Nguyên lý cơ bản
Sau khi tấm hấp thụ biến năng lượng ánh sáng mặt trời thành nhiệt (Photothermal Conversion), nhiệt lượng phải được truyền vào môi chất lưu thông (nước hoặc chất tải nhiệt) để sử dụng hoặc lưu trữ.
Quá trình này dựa trên hai cơ chế vật lý chính:
Dẫn nhiệt (Conduction)
Nguyên lý: Nhiệt luôn di chuyển từ vùng có nhiệt độ cao → vùng có nhiệt độ thấp.
Trong hệ thống Solar Thermal:
- Tấm hấp thụ nóng → ống dẫn nước hoặc chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với tấm.
- Nhiệt được truyền qua thành ống vào chất lỏng bên trong.
Yếu tố ảnh hưởng:
- Vật liệu ống dẫn: đồng, nhôm dẫn nhiệt tốt; thép hay nhựa dẫn kém hơn.
- Diện tích tiếp xúc: ống và tấm hấp thụ phải tiếp xúc tối đa.
- Độ dày ống: ống quá dày làm giảm tốc độ dẫn nhiệt.
Đối lưu (Convection)
Nguyên lý: Chất lỏng hoặc khí lưu thông mang nhiệt đi khắp hệ thống.
Trong hệ thống Solar Thermal:
- Nước hoặc chất tải nhiệt nóng → di chuyển từ tấm hấp thụ đến bình bảo ôn.
- Nước hoặc chất tải nhiệt lạnh → chảy xuống tấm hấp thụ để tiếp tục được làm nóng.
Hai dạng đối lưu:
- Đối lưu tự nhiên (Thermosiphon):
+ Dựa trên chênh lệch khối lượng riêng giữa nước nóng nhẹ và nước lạnh nặng.
+ Không cần bơm, tiết kiệm điện, hệ thống đơn giản.
- Đối lưu cưỡng bức (Forced Convection):
+ Dùng bơm tuần hoàn để chất tải nhiệt lưu thông nhanh hơn.
+ Phù hợp với hệ thống diện tích lớn hoặc áp suất cao.
2. Chất tải nhiệt (Heat Transfer Fluid)
- Nước: phổ biến, chi phí thấp, hiệu suất tốt.
- Glycol (chống đông): dùng trong môi trường lạnh để tránh đóng băng.
- Dầu nhiệt hoặc chất tải nhiệt chuyên dụng: dùng cho nhiệt độ cao hoặc ứng dụng công nghiệp.
Lựa chọn chất tải nhiệt dựa trên nhiệt độ vận hành, khả năng giữ nhiệt, an toàn và tuổi thọ hệ thống.
3. Yếu tố tối ưu hiệu suất truyền nhiệt
- Tiếp xúc tối ưu: giữa tấm hấp thụ và ống dẫn → giảm cản trở truyền nhiệt.
- Chất liệu dẫn nhiệt tốt: đồng, nhôm giúp tăng tốc độ truyền nhiệt.
- Cách nhiệt ống dẫn: giảm thất thoát nhiệt ra môi trường.
- Kiểm soát tốc độ dòng: cân bằng giữa giữ nhiệt lâu và đối lưu hiệu quả.
Lưu trữ nhiệt trong bình bảo ôn
1. Nguyên lý cơ bản
Sau khi nước hoặc chất tải nhiệt được làm nóng từ tấm thu năng lượng mặt trời, nhiệt lượng cần được lưu trữ để sử dụng khi cần, đặc biệt vào thời điểm ánh sáng mặt trời yếu hoặc ban đêm.
- Bình bảo ôn là bình chứa cách nhiệt, giúp giữ nhiệt lâu và duy trì nhiệt độ ổn định.
- Nhiệt lượng được lưu trữ trong nước hoặc chất tải nhiệt nóng bên trong bình.
2. Cấu tạo bình bảo ôn
Thân bình: thường bằng thép không gỉ hoặc hợp kim chịu nhiệt.
Lớp cách nhiệt: PU foam (Polyurethane), bọt cách nhiệt, hoặc chân không.
- Giảm thất thoát nhiệt ra môi trường.
- Giữ nhiệt từ 6–72 giờ tùy chất lượng và độ dày cách nhiệt.
Ngăn chứa nước/chất tải nhiệt: bên trong bình, nơi nhiệt được lưu trữ.
Van an toàn và cảm biến nhiệt:
- Đảm bảo áp suất và nhiệt độ an toàn.
- Cho phép kết nối với hệ thống điều khiển hoặc bộ gia nhiệt phụ trợ.
3. Nguyên lý hoạt động
Nước/chất tải nhiệt nóng từ tấm thu năng lượng → đổ vào bình bảo ôn.
Nhiệt được giữ lại nhờ lớp cách nhiệt, hạn chế trao đổi nhiệt với môi trường.
Khi cần sử dụng:
- Nước/chất tải nhiệt nóng được rút ra trực tiếp.
- Hệ thống có thể bổ sung nhiệt từ tấm thu nếu ánh sáng mặt trời còn, hoặc từ gia nhiệt phụ trợ nếu cần.
4. Yếu tố tối ưu hiệu quả lưu trữ
- Lớp cách nhiệt chất lượng cao: PU foam, bọt chân không → giảm thất thoát nhiệt.
- Dung tích phù hợp: đảm bảo đủ nước/chất tải nhiệt để dùng vào những giờ thiếu sáng.
- Vị trí lắp đặt: tránh ánh nắng trực tiếp và nhiệt độ môi trường cao để giảm thất thoát nhiệt.
- Kiểm soát nhiệt độ và áp suất: sử dụng van an toàn và cảm biến để bảo vệ bình.
Hoạt động của hệ thống phụ trợ (Back-up Heater)
Hệ thống phụ trợ được thiết kế để đảm bảo nguồn nước nóng ổn định ngay cả khi ánh sáng mặt trời không đủ, chẳng hạn vào:
- Ban đêm
- Mưa kéo dài
- Mùa đông
- Những ngày nhiều mây hoặc bức xạ yếu
Back-up Heater đóng vai trò như nguồn nhiệt bổ sung, giúp duy trì nhiệt độ mong muốn cho người dùng.
1. Mục đích của hệ thống phụ trợ
Mục đích của hệ thống phụ trợ (thường gặp trong các hệ thống năng lượng mặt trời như nước nóng năng lượng mặt trời, sưởi, điện mặt trời…) là đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, an toàn và hiệu quả ngay cả khi nguồn năng lượng chính không đủ.
Tùy bối cảnh, “hệ thống phụ trợ” có thể bao gồm: điện dự phòng, bơm tuần hoàn, cảm biến–điều khiển, bình bổ sung nhiệt… nhưng mục đích chung là:
Đảm bảo tính liên tục của hoạt động: Bù đắp năng lượng khi nguồn chính (như bức xạ mặt trời) không đủ — ví dụ trời âm u, ban đêm, mùa đông.
Giữ ổn định nhiệt độ / công suất: Duy trì nhiệt độ nước hoặc công suất đầu ra ở mức yêu cầu để thiết bị sử dụng không bị ảnh hưởng.
Tăng an toàn cho hệ thống
Phụ trợ giúp:
- bảo vệ quá nhiệt / áp suất,
- chống đóng băng,
- tự động tắt/mở thiết bị khi có sự cố.
Tối ưu hiệu suất và tuổi thọ thiết bị: Hệ thống phụ trợ (bơm, điều khiển, cảm biến…) giúp phân phối nhiệt hợp lý, tránh vận hành quá tải.
Đáp ứng nhu cầu người dùng trong mọi điều kiện: Ngay cả khi thời tiết xấu, hệ thống vẫn cung cấp đủ nước nóng, điện hoặc nhiệt theo yêu cầu.
Các loại Back-up Heater phổ biến
1. Điện trở gia nhiệt (Electric Heating Element) – phổ biến nhất
Cấu tạo cơ bản
Điện trở gia nhiệt thường gồm các thành phần:
Thanh điện trở (Heater Rod / Heating Element)
- Là ống kim loại chứa dây điện trở (thường là hợp kim Nichrome).
- Bên ngoài bọc lớp vỏ bằng thép không gỉ (inox 304/316) để chịu nước và áp suất.
- Bên trong có lớp bột cách điện MgO nén chặt để truyền nhiệt tốt nhưng cách điện tuyệt đối.
Mặt bích lắp đặt (Flange)
- Gắn cố định thanh điện trở lên bình bảo ôn.
- Một số loại tích hợp thêm gioăng cao su chống rò rỉ.
Bộ điều khiển nhiệt độ (Thermostat)
- Tự động bật/tắt điện trở khi nước đạt nhiệt độ cài đặt.
- Có chức năng an toàn ngắt quá nhiệt (Overheat protection).
Cảm biến đo nhiệt (Temperature Sensor / Probe) (tùy loại)
- Đo chính xác nhiệt độ nước trong bình để bộ điều khiển hoạt động tối ưu.
Nguyên lý hoạt động
Quá trình hoạt động của điện trở gia nhiệt diễn ra theo các bước:
- Cắm điện hoặc kết nối với nguồn điện điều khiển.
- Dòng điện chạy qua dây điện trở → sinh ra nhiệt theo hiệu ứng Joule:
Q=I^2 Rt
- Nhiệt truyền qua vỏ thanh điện trở, lan vào nước hoặc chất tải nhiệt xung quanh.
- Nước trong bình được làm nóng nhanh đến mức nhiệt đặt trước (thường 55–75°C).
- Bộ Thermostat tự động ngắt điện khi đạt nhiệt độ → tránh sôi nước hoặc quá nhiệt.
- Khi nhiệt độ giảm (do sử dụng hoặc thất thoát nhiệt), Thermostat sẽ bật lại.
Ưu điểm nổi bật
- Chi phí thấp nhất trong các loại back-up heater.
- Lắp đặt đơn giản – hầu như mọi bình bảo ôn đều hỗ trợ.
- Gia nhiệt nhanh, đáp ứng ngay khi trời mưa, trời lạnh.
- Kích thước nhỏ, bảo trì dễ.
- Tự động hóa hoàn toàn với bộ Thermostat.
Nhược điểm
- Tiêu thụ điện khá cao (1.5–3 kW cho hộ gia đình, 6–18 kW cho công nghiệp).
- Cần nguồn điện ổn định.
- Nếu nước quá cứng → có thể gây đóng cặn trên thanh điện trở → giảm hiệu suất.
Công suất phổ biến
- Hộ gia đình: 1.5 kW – 3 kW
- Nhà trọ, spa, resort nhỏ: 3 kW – 6 kW
- Công nghiệp/Khách sạn: 9 kW – 12 kW – 18 kW – 24 kW
Vị trí lắp đặt
- Lắp trực tiếp trong lòng bình bảo ôn (phổ biến nhất).
- Hoặc lắp trong bình gia nhiệt phụ nối tiếp đường nước nóng (ít hơn).
Khi nào cần dùng điện trở gia nhiệt?
- Trời mưa nhiều ngày, bức xạ thấp.
- Mùa đông lạnh, nhiệt độ thấp.
- Nhu cầu sử dụng cao vượt công suất solar.
- Muốn có nước nóng ngay lập tức mà không cần chờ.
2. Bộ gia nhiệt bằng gas (Gas Back-up Heater / Gas Booster)
Thiết bị dùng khí đốt (LPG/Natural Gas) để bổ sung nhiệt khi năng lượng mặt trời không đủ
Cấu tạo cơ bản
Gas Booster thường giống một máy nước nóng gas gián tiếp, gồm các phần chính:
Buồng đốt (Burner Chamber)
- Dùng LPG (Gas bình) hoặc khí thiên nhiên (Natural Gas).
- Mâm đốt bằng inox hoặc hợp kim chịu nhiệt.
- Thiết kế tạo ngọn lửa xanh → cháy sạch, ít muội.
Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger)
- Thường bằng đồng hoặc inox 316.
- Nước lạnh/nước từ bình solar đi trong ống xoắn, khí nóng đi bao quanh.
- Nhận nhiệm vụ truyền nhiệt từ ngọn lửa → nước.
Hệ thống đánh lửa (Ignition System)
- Đánh lửa điện tử (Electronic Ignition).
- Tự động bật khi có dòng nước chảy hoặc khi controller kích hoạt.
Cảm biến & hệ thống an toàn
- Cảm biến nhiệt độ nước (NTC sensor).
- Cảm biến ngọn lửa (Flame Sensor).
- Van gas từ (Solenoid Gas Valve) điều chỉnh lưu lượng.
- Cảm biến quá nhiệt, cảm biến gió, cảm biến áp suất nước…
Ống xả khí thải / ống khói (Flue / Exhaust Vent)
- Đưa khí thải CO₂, hơi nước, NOx ra ngoài môi trường.
- Thường là ống đôi (đưa khí vào + thải khí ra).
Nguyên lý hoạt động
Quá trình hoạt động của Gas Booster diễn ra theo chu trình sau:
- Nước từ bình solar (thường 25–60°C tùy thời điểm) đi vào máy gas.
- Khi có dòng nước chảy hoặc controller gửi tín hiệu, hệ thống sẽ:
+ Mở van gas.
+ Kích hoạt đánh lửa → tạo ngọn lửa.
- Ngọn lửa nung nóng bộ trao đổi nhiệt, làm nhiệt độ ống dẫn nước tăng nhanh.
- Nước chạy qua ống xoắn → nhận nhiệt tức thì và đạt nhiệt độ đặt trước (thường 40–65°C).
- Bộ điều khiển sẽ tự tắt gas khi:
+ Nước đạt nhiệt độ yêu cầu.
+ Nước solar đã đủ nóng → không cần gia nhiệt.
- Hệ thống xả khí thải an toàn ra ngoài.
Ưu điểm
Gia nhiệt cực nhanh – theo nhu cầu (instant heating): Không cần chờ, chỉ bật khi có nước chảy.
Tiết kiệm hơn điện trở ở hệ công suất lớn
Gas rẻ hơn điện nhiều trong:
- Nhà hàng
- Resort
- Khách sạn
- Xưởng sản xuất
Không phụ thuộc vào thời tiết: Dù trời mưa nhiều ngày → vẫn có nước nóng.
Đảm bảo nhiệt độ ổn định: Máy gas thường có bộ điều khiển PID giữ nhiệt chính xác ±1°C.
Giới hạn món ăn / spa / khách sạn cực phù hợp
Đặc biệt yêu cầu nước nóng ổn định liên tục, như:
- Bếp công nghiệp
- Spa – onsen
- Khách sạn có nhu cầu cao buổi sáng
Nhược điểm
- Cần ống thoát khí thải → yêu cầu kỹ thuật lắp đặt.
- Rủi ro rò rỉ gas nếu lắp sai tiêu chuẩn.
- Cần bảo trì định kỳ (vệ sinh họng đốt, bộ trao đổi nhiệt).
- Giá cao hơn điện trở.
Công suất phổ biến
Tùy loại, thường trong khoảng:
- 16 kW – 24 kW – 32 kW – 40 kW (dạng Instant Gas Heater)
- Hệ thống lớn có thể đến 70–120 kW
- Hệ thương mại: 2–8 máy chạy song song
Cách tích hợp với hệ thống Solar Thermal
Có 2 phương án chính:
Booster đặt sau bình bảo ôn (Post-heating – phổ biến nhất)
Sơ đồ:
Collector → Bình bảo ôn → Gas Booster → Điểm sử dụng
→ Chỉ booster khi nước từ bình solar chưa đủ nóng.
Booster đặt trước bình (Pre-heating)
Sơ đồ:
Collector → Gas Booster → Bình bảo ôn
→ Ít dùng hơn, vì gas bổ sung trước khi lưu trữ → tốn gas hơn.
Khi nào nên dùng Gas Back-up Heater?
- Khu vực có giá điện cao, gas rẻ.
- Hệ thống nước nóng cho khách sạn, resort, spa.
- Nơi có nhu cầu nước nóng liên tục, lưu lượng lớn.
- Khi muốn tối ưu hóa chi phí vận hành thay cho điện trở công suất lớn.
- Hệ thống không đủ ánh sáng (khu vực mưa nhiều ngày).
3. Bộ gia nhiệt bằng bơm nhiệt (Heat Pump Back-up Heater)
Thiết bị dùng năng lượng nhiệt từ không khí để gia nhiệt nước khi năng lượng mặt trời không đủ.
Khái niệm tổng quát
Heat Pump Water Heater (HPWH) là thiết bị lấy nhiệt từ môi trường (không khí) và nén – chuyển hóa để tạo ra nước nóng.
Khác với điện trở hay gas tạo nhiệt trực tiếp, bơm nhiệt chuyển dời nhiệt → vì vậy hiệu suất rất cao:
- COP (Coefficient of Performance) = 2.5 – 4.5
→ Nghĩa là dùng 1 kWh điện có thể tạo ra 2.5–4.5 kWh nhiệt.
Đây là loại back-up heater tiết kiệm điện nhất, phù hợp cho hệ thống Solar Thermal lớn.
Cấu tạo chính của Heat Pump
Bơm nhiệt hoạt động như máy điều hòa đảo chiều, gồm các bộ phận:
Máy nén (Compressor) – trái tim của hệ thống
- Nén gas lạnh → làm tăng áp suất & nhiệt độ.
- Thường dùng công nghệ inverter để tiết kiệm điện.
Dàn nóng (Condenser / Heat Exchanger)
- Thường là ống đồng trong bình bảo ôn (coil-in-tank) hoặc bộ trao đổi nhiệt ngoài.
- Gas nóng ngưng tụ và truyền nhiệt sang nước.
Dàn lạnh (Evaporator / Air Heat Exchanger)
- Hút hơi lạnh từ gas → làm gas bốc hơi.
- Lấy nhiệt từ không khí xung quanh, kể cả khi trời lạnh.
Van tiết lưu (Expansion Valve)
- Giảm áp suất gas trước khi vào dàn lạnh → chuẩn bị chu trình mới.
Quạt gió (Fan)
- Hút không khí qua dàn lạnh để thu nhiệt.
Bo mạch điều khiển (Controller)
- Điều khiển nhiệt độ, chống đóng băng, chống quá áp, chống thiếu gas.
Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt
Quy trình chuyển nhiệt diễn ra theo các bước:
Bước 1: Dàn lạnh hấp thụ nhiệt từ không khí
- Không khí đi qua dàn lạnh.
- Môi chất lạnh (Refrigerant) sôi và bay hơi ở nhiệt độ thấp (~–5 đến +10°C).
- Hấp thụ nhiệt → gas lạnh biến thành hơi nóng nhẹ.
Bước 2: Máy nén nén khí gas
- Gas ở áp suất thấp đi vào máy nén.
- Máy nén tăng áp → tăng nhiệt độ lên 70–90°C.
Bước 3: Dàn nóng truyền nhiệt cho nước
- Gas nóng đi qua bộ trao đổi nhiệt → nhả nhiệt vào nước.
- Gas ngưng tụ thành chất lỏng.
Bước 4: Van tiết lưu hạ áp
- Chất lỏng cao áp đi qua van tiết lưu → hạ áp, giảm nhiệt.
- Chu trình lặp lại từ đầu.
→ Hiệu quả gia nhiệt rất cao vì phần lớn năng lượng đến từ không khí, không phải từ điện.
Hiệu suất (COP) – Lợi thế lớn nhất
- COP = 2.5–4.5 tùy nhiệt độ môi trường.
- Nhiệt độ nước đầu ra: 40–60°C (có loại 70°C).
- Điện tiêu thụ chỉ bằng 1/3 – 1/4 so với điện trở.
Ưu điểm
Tiết kiệm điện nhất hiện nay: Giảm 60–75% chi phí điện so với điện trở.
Tự động và vận hành êm, an toàn: Không cháy nổ, không khói, không cần ống thải.
Chạy được cả khi trời mưa hoặc ban đêm → Rất phù hợp làm back-up cho Solar Thermal.
Tuổi thọ dài: 8–12 năm
Công suất lớn, phù hợp hệ thống khách sạn – resort – công nghiệp: Heat Pump có thể chạy song song (cascade) để tăng công suất.
Nhược điểm
- Giá cao hơn điện trở/gas ban đầu.
- Hiệu suất giảm khi nhiệt độ môi trường < 10°C.
- Cần không gian để lấy/gia lưu thông khí.
- Cần bảo trì định kỳ (vệ sinh dàn lạnh, kiểm tra gas).
Công suất phổ biến
- Dân dụng: 1500W – 2500W – 3500W
- Thương mại / khách sạn: 5 kW – 10 kW – 18 kW – 25 kW – 35 kW – 45 kW
- Công nghiệp: 60 kW – 120 kW – 180 kW. Có thể ghép nhiều máy để đạt 500–1000 kW.
Tích hợp Heat Pump vào hệ thống Solar Thermal
Có 2 mô hình chính:
Booster sau bình bảo ôn (Post-heating – Phổ biến nhất)
Sơ đồ:
Collector → Bình bảo ôn → Heat Pump → Điểm sử dụng
→ Heat Pump chỉ chạy khi nước trong bình solar không đủ nóng.
Booster nạp nhiệt trực tiếp vào bình bảo ôn
Sơ đồ:
Collector → Bình → Coil Heat Pump → Bình
→ Tối ưu cho hệ thống nhiều bình nối song song.
Khi nào nên dùng Heat Pump Back-up Heater?
- Dự án khách sạn – resort dùng lượng nước nóng lớn mỗi ngày.
- Muốn tối ưu chi phí vận hành tốt hơn điện và gas.
- Nơi an toàn cháy nổ được ưu tiên tuyệt đối.
- Không gian kỹ thuật đủ để đặt máy.
- Muốn hệ thống chạy tự động 24/7.
4. Bộ gia nhiệt bằng nồi hơi / lò hơi (Boiler Back-up Heater)
Thiết bị dùng hơi nước (steam) hoặc nước nóng áp lực (hot water boiler) để bổ sung nhiệt cho hệ thống Solar Thermal khi năng lượng mặt trời không đủ.
Khái niệm tổng quát
Trong hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời quy mô lớn, Boiler được dùng như một nguồn nhiệt dự phòng để đảm bảo:
- Cung cấp nước nóng ổn định 24/7
- Đáp ứng nhu cầu công suất cao (hàng nghìn lít/ngày)
- Bù nhiệt vào những lúc trời mưa, âm u, ban đêm
Boiler ở đây có thể thuộc một trong các loại:
- Lò hơi hơi nước (Steam Boiler): Tạo hơi nóng 120–180°C → trao đổi nhiệt → nước nóng.
- Nồi hơi nước nóng (Hot Water Boiler): Tạo nước nóng 70–95°C → cấp trực tiếp vào hệ thống.
- Boiler đốt gas, dầu, biomass hoặc điện: Tùy theo loại nhiên liệu có sẵn.
Boiler là giải pháp mạnh nhất về công suất trong tất cả các loại Back-up Heater.
Cấu tạo chính của Boiler
Tùy loại (hơi hoặc nước nóng) nhưng thường có các bộ phận chung:
Buồng đốt (Furnace / Burner Chamber)
- Hệ thống đốt gas, dầu DO, LPG, hoặc biomass.
- Tạo nhiệt lượng cao để đun nước trong thân lò.
Thân lò (Boiler Body / Pressure Vessel)
- Bằng thép chịu áp lực, độ dày lớn.
- Có ống lửa hoặc ống nước tùy thiết kế (fire-tube, water-tube).
Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger)
- Tăng diện tích truyền nhiệt từ lửa → nước.
- Thiết kế đặc biệt để giảm tổn thất và tăng hiệu suất.
Bình tách hơi (Steam Drum – với lò hơi)
- Tách hơi khô và nước để đưa hơi ra ngoài.
Bơm cấp nước (Feed Pump)
- Bơm nước vào lò hơi liên tục.
Hệ thống an toàn
- Van an toàn (Safety Valve)
- Đồng hồ áp suất
- Cảm biến mực nước
- Cảm biến nhiệt độ
- Bộ chống cạn nước
Ống khói (Chimney)
- Thoát khí thải ra ngoài môi trường.
Nguyên lý hoạt động của Boiler trong vai trò Back-up Heater
Trường hợp A: Lò hơi hơi nước (Steam Boiler)
- Boiler tạo hơi nước ở 120–180°C.
- Hơi được đưa vào bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger) kết nối với bình bảo ôn Solar.
- Hơi truyền nhiệt → ngưng tụ thành nước → xả về hệ thống condensate.
- Nước trong bình bảo ôn tăng nhiệt nhanh chóng.
- Boiler tự động chạy khi nước Solar không đủ nóng.
Trường hợp B: Boiler nước nóng (Hot Water Boiler)
- Boiler tạo nước nóng 70–90°C.
- Bơm tuần hoàn đưa nước nóng từ boiler đến coil trong bình bảo ôn hoặc bộ trao đổi nhiệt dạng tấm (plate heat exchanger).
- Nhiệt truyền sang nước sử dụng.
- Boiler truyền nhiệt liên tục cho đến khi đạt yêu cầu.
→ Boiler có thể tạo công suất lớn nhất, tốc độ bù nhiệt nhanh nhất.
Ưu điểm
Công suất cực lớn – đáp ứng tải cao
Phù hợp cho:
- Khách sạn 4–5 sao
- Resort – onsen
- Bệnh viện
- Nhà máy thực phẩm, giặt là công nghiệp
- Khu công nghiệp
Gia nhiệt nhanh nhất trong các loại back-up: Vì Boiler tạo nhiệt trực tiếp bằng quá trình đốt → công suất lớn.
Hoạt động ổn định 24/7: Chạy được liên tục nhiều giờ/ngày.
Tùy chọn nhiều loại nhiên liệu: Gas, dầu DO, biomass, điện.
Dễ kết hợp với hệ thống Solar Thermal quy mô lớn
Nhược điểm
- Chi phí đầu tư cao nhất.
- Yêu cầu phòng nồi hơi riêng, thoáng, có ống khói.
- Tốn chi phí vận hành và nhiên liệu hơn so với bơm nhiệt.
- Đòi hỏi kỹ thuật vận hành – bảo trì chuyên môn.
- Nguy cơ áp suất cao → phải tuân thủ tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt.
Công suất phổ biến
- 100 kW – 300 kW – 500 kW – 800 kW – 1 MW – 2 MW – 5 MW
- Với resort lớn: 300–800 kW
- Với nhà máy: 1–5 MW
- Có thể ghép nhiều Boiler theo dạng modular.
Tích hợp Boiler với hệ thống Solar Thermal
Có 2 cấu hình chính:
Boiler đứng sau bình bảo ôn (Post-heating) – phổ biến nhất
Collector → Bình Solar → Heat Exchanger Boiler → Điểm sử dụng
→ Boiler chỉ chạy khi nước Solar không đủ nóng.
Boiler nạp nhiệt vào bình (Load heating)
Boiler → Heat Exchanger → Bình bảo ôn
→ Tối ưu cho hệ thống nhiều bình.
Khi nào nên dùng Boiler Back-up Heater?
- Hệ thống công suất cực lớn cần nước nóng liên tục.
- Solar Thermal không thể đáp ứng tải đỉnh.
- Nơi có sẵn nguồn gas/dầu/biomass thuận tiện.
- Nhà máy hoặc khách sạn yêu cầu sự ổn định tuyệt đối.
- Dự án có đội ngũ vận hành chuyên nghiệp.
5. Bộ gia nhiệt dùng nước nóng trung tâm (District Hot Water / Central Heating)
Nguồn nước nóng từ hệ thống sưởi hoặc mạng nước nóng tập trung được sử dụng như nguồn nhiệt bổ sung cho hệ thống năng lượng mặt trời.
Khái niệm tổng quát
Ở các nước có khí hậu lạnh (Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc…), nhiều tòa nhà không dùng từng máy nước nóng riêng lẻ, mà dùng hệ thống nước nóng trung tâm, bao gồm:
- Nồi hơi trung tâm (Central Boiler)
- Bơm nhiệt công suất lớn (Central Heat Pump)
- Nhà máy nhiệt điện – nhiệt thải (District Heating Plant)
- Hệ thống thu hồi nhiệt (Waste Heat Recovery)
Nguồn nước nóng tuần hoàn được gửi đến nhiều căn hộ hoặc khu vực trong tòa nhà.
Trong trường hợp này, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời không tạo toàn bộ nhiệt, mà chỉ đóng vai trò tiền nhiệt (pre-heating), còn nguồn trung tâm sẽ bù nhiệt để đạt nhiệt độ yêu cầu.
Cấu tạo & các thành phần liên quan
Hệ thống back-up bằng nước nóng trung tâm thường bao gồm:
Đường ống nước nóng trung tâm (District Hot Water Supply Line)
- Nhiệt độ phổ biến: 60–85°C
- Áp lực ổn định, lưu lượng lớn
- Là nguồn nhiệt chính hoặc bổ sung
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate Heat Exchanger – PHE)
Dùng để trao đổi nhiệt giữa:
- Nước nóng trung tâm
- Nước trong bình bảo ôn Solar
Đảm bảo tách biệt hai vòng tuần hoàn, tránh nhiễm bẩn hoặc chênh áp.
Bơm tuần hoàn (Circulation Pumps)
- Bơm nước trung tâm qua bộ trao đổi nhiệt
- Bơm nước solar qua PHE nếu cần
Bình bảo ôn của hệ Solar
- Nhận nhiệt từ collector
- Nhận bổ sung nhiệt từ hệ trung tâm khi cần
Bộ điều khiển nhiệt (Controller)
- Quyết định khi nào dùng Solar
- Khi nào cần kích hoạt nguồn trung tâm
- Điều khiển bơm/van 3 ngã
Nguyên lý hoạt động
Quy trình hoạt động như sau:
Bước 1: Collector tạo nước nóng
- Tấm thu nhiệt solar làm nóng nước/glycol
- Nhiệt được nạp vào bình bảo ôn
Bước 2: Kiểm tra nhiệt độ
Controller đo:
- Nhiệt độ nước trong bình
- Nhiệt độ đặt (setpoint) thường 45–60°C
Bước 3: Kích hoạt nguồn nước nóng trung tâm
Nếu nhiệt độ solar không đủ, controller mở van và kích hoạt:
- Nước nóng trung tâm chạy qua bộ trao đổi nhiệt
- Truyền nhiệt qua cuộn hoặc PHE
- Nâng nhiệt nước trong bình lên đạt giá trị cài đặt
Bước 4: Dừng khi đủ nhiệt
- Van đóng
- Nước trung tâm ngừng cấp
- Solar tiếp tục giữ vai trò chính
Ưu điểm
Không cần thêm thiết bị đốt hoặc điện trở: Tận dụng luôn nguồn sẵn có của tòa nhà.
An toàn, không cháy nổ, không khí thải: Không dùng gas, dầu hoặc điện công suất lớn.
Chi phí vận hành thấp
Đặc biệt khi nguồn nước nóng trung tâm là:
- Nhiệt thải từ nhà máy
- Bơm nhiệt trung tâm hiệu suất cao
- Hệ thống CHP (Combined Heat & Power)
Hoạt động cực kỳ ổn định: Nguồn nhiệt tập trung thường có công suất lớn và luôn sẵn sàng.
Phù hợp tòa nhà chung cư, khách sạn lớn, khu phức hợp: Không cần mỗi phòng/căn hộ lắp heater riêng.
Nhược điểm
- Không phổ biến tại Việt Nam do ít tòa nhà có hệ thống nước nóng trung tâm.
- Phụ thuộc vào vận hành của hệ thống nhiệt trung tâm.
- Lắp đặt yêu cầu kỹ thuật cao:
+ Van cân bằng
+ Van điều khiển 3 ngã
+ PHE chịu áp
- Nếu nước trung tâm bị nhiễm cặn hoặc quá nhiệt → cần xử lý bổ sung.
Nhiệt độ & công suất phổ biến
- Nhiệt độ cấp nóng trung tâm: 55–85°C
- Công suất trao đổi nhiệt: 20–500 kW tùy tòa nhà
- Ở khu đô thị quy mô lớn có thể lên đến 1–5 MW nhiệt
Sơ đồ tích hợp với hệ Solar Thermal
Mô hình Pre-heating (phổ biến nhất)
Solar Collector → Bình Solar → PHE với nước trung tâm → Điểm sử dụng
Solar làm nóng trước → nước trung tâm chỉ bù khi thiếu.
Mô hình song song (Parallel Heating)
Solar và Central Heating cùng cấp vào bình bảo ôn
Boiler/Heat Pump trung tâm ưu tiên giữ nhiệt ổn định.
Khi nào nên dùng loại Back-up này?
- Khi tòa nhà có hệ thống sưởi hoặc nước nóng trung tâm.
- Khi muốn tối giản thiết bị, chỉ dùng bộ trao đổi nhiệt.
- Khi nhưng muốn tiết kiệm điện/gas.
- Khi nguồn trung tâm có hiệu suất cao (ví dụ Heat Pump 200–400 kW).
- Dự án chung cư, khách sạn 4–5 sao, khu thương mại.
6. Bộ gia nhiệt bằng năng lượng điện mặt trời PV (PV-powered Backup)
Bộ gia nhiệt sử dụng điện từ hệ thống điện mặt trời (Solar PV) để hỗ trợ gia nhiệt nước khi bức xạ mặt trời yếu hoặc nhu cầu nước nóng vượt quá khả năng cung cấp của collector nhiệt. Đây là xu hướng hiện đại nhờ tính tiết kiệm điện – tự cung tự cấp – vận hành sạch.
Nguyên lý hoạt động
- Hệ thống PV tạo ra điện DC từ ánh sáng mặt trời.
- Điện này đi vào:
+ Bộ đổi nguồn (inverter) để thành AC cấp cho điện trở gia nhiệt trong bình, hoặc
+ Bộ điều khiển DC trực tiếp (PV Direct Solar Water Heating Controller) để cấp thẳng điện DC vào điện trở chuyên dụng.
- Khi bình nước nóng chưa đạt nhiệt độ đặt (setpoint), bộ điều khiển cho phép cấp điện từ PV để làm nóng nước.
- Khi đủ nhiệt → ngắt điện → tránh lãng phí năng lượng.
Đặc điểm kỹ thuật
- Dùng điện trở gia nhiệt (heating element) AC hoặc DC.
- Có cảm biến nhiệt độ (NTC, PT1000…) để kiểm soát hoạt động.
- Bộ điều khiển thông minh có thể:
- Ưu tiên dùng điện PV trước.
+ Chuyển sang lưới điện khi PV không đủ.
+ Giới hạn công suất theo sản lượng PV thực tế (power tracking).
Ưu điểm
Tiết kiệm điện tối đa: Điện từ PV là nguồn năng lượng miễn phí → giảm chi phí vận hành so với điện lưới hoặc gas.
Dễ kết hợp với hệ thống nước nóng NLMT: Không yêu cầu thay đổi cấu trúc collector. Có thể gắn thêm vào hệ thống đang vận hành.
Hoạt động sạch – không phát thải: Không khí đốt, không khí thải, không CO₂.
An toàn cao: Không sử dụng ngọn lửa hoặc khí đốt. Ít rủi ro cháy nổ.
Độ bền cao – ít bảo trì: Điện trở và bộ điều khiển PV gần như không cần bảo trì ngoại trừ kiểm tra định kỳ.
Nhược điểm
Phụ thuộc bức xạ mặt trời: Vào ngày mưa bão hoặc mùa đông, PV tạo điện yếu → cần kết hợp điện lưới.
Hiệu suất chuyển đổi thấp hơn hệ nhiệt mặt trời trực tiếp: PV chuyển đổi ~20% thành điện, sau đó chuyển thành nhiệt (điện trở 100%).
Tổng hiệu suất thấp hơn collector nhiệt trực tiếp (40–70%).
Yêu cầu đầu tư ban đầu cao
Phải lắp thêm:
- Tấm pin PV,
- Inverter hoặc bộ điều khiển PV direct,
- Bộ điện trở tương thích.
Ứng dụng
- Hỗ trợ gia nhiệt trong hệ thống solar thermal tấm phẳng / ống chân không.
- Các tòa nhà có điện mặt trời áp mái muốn tận dụng điện dư.
- Các hệ thống yêu cầu nước nóng liên tục như: khách sạn, spa, trường học, bệnh viện, hộ gia đình dùng nhiều nước nóng.
Phương án vận hành
A. PV → Inverter → Heating Element
- Dùng điện AC bình thường.
- Phù hợp với hệ PV hòa lưới.
B. PV Direct → DC Heating Element (Hiệu quả hơn)
- Không qua inverter → giảm tổn thất.
- Bắt buộc dùng điện trở DC chuyên dụng.
Nguyên lý đối lưu tự nhiên (Thermosiphon) - nếu có
1. Khái niệm đối lưu tự nhiên
Đối lưu tự nhiên (Thermosiphon) là hiện tượng chất lỏng nóng tự động di chuyển lên cao và chất lỏng lạnh tự động chảy xuống, hoàn toàn không cần dùng bơm. Hiện tượng này dựa trên sự chênh lệch mật độ của chất lỏng ở các nhiệt độ khác nhau.
- Nước nóng → nhẹ hơn → nổi lên
- Nước lạnh → nặng hơn → chìm xuống
2. Nguyên lý hoạt động theo từng bước
Bước 1: Hấp thụ năng lượng
- Ánh sáng mặt trời làm nóng chất tải nhiệt trong tấm thu năng lượng.
- Khi được làm nóng, chất lỏng trong ống thu giảm mật độ → trở nên nhẹ hơn.
Bước 2: Nước nóng tự nổi lên
- Chất tải nhiệt nóng tự động dâng lên theo đường ống dẫn đến phía trên của bình bảo ôn (do nhẹ hơn).
Bước 3: Nước lạnh chảy xuống tấm thu
- Đồng thời, nước lạnh trong bình bảo ôn (ở đáy bình) có mật độ lớn hơn → tự động chảy xuống tấm thu để được làm nóng tiếp.
Bước 4: Chu trình lặp lại liên tục
- Sự chênh lệch nhiệt độ luôn tồn tại làm cho dòng đối lưu tự nhiên diễn ra không ngừng: Tấm thu → Bình bảo ôn → Tấm thu → …
Hệ thống vận hành hoàn toàn không dùng điện, không có bơm.
3. Thiết kế yêu cầu
Để Thermosiphon hoạt động hiệu quả, hệ thống phải tuân thủ:
Bình bảo ôn đặt cao hơn collector
Tạo chênh lệch cột nước để giúp dòng đối lưu hình thành nhanh và mạnh.
Ống kết nối càng ngắn – càng thẳng càng tốt
Tránh:
- gấp khúc,
- đoạn đi ngang,
- đường kính nhỏ,
vì làm giảm lưu lượng đối lưu.
Collector nghiêng một góc hợp lý
Tăng khả năng hấp thụ và giúp dòng nước nóng dâng đều.
Phân lớp nhiệt trong bình (Stratification)
Bố trí ống vào–ra để:
- nước nóng tập trung ở lớp trên,
- nước lạnh ở lớp dưới, tối ưu hiệu quả đối lưu.
4. Ưu điểm của Thermosiphon
- Không dùng điện → tiết kiệm năng lượng.
- Ít hỏng hóc vì không có bơm, van, bộ điều khiển.
- Vận hành tự động 100%.
- Thiết kế đơn giản, dễ lắp đặt.
- Độ bền cao, phù hợp hộ gia đình.
5. Nhược điểm
- Phụ thuộc hoàn toàn vào vị trí lắp đặt (bình phải đặt cao hơn collector).
- Không phù hợp với hệ thống áp suất cao hoặc đường nước phức tạp.
- Lưu lượng đối lưu nhỏ hơn so với hệ có bơm tuần hoàn → thời gian làm nóng lâu hơn.
- Giới hạn về quy mô: phù hợp hộ gia đình, không phù hợp công trình lớn.
6. Ứng dụng
- Hệ thống ống chân không áp suất thấp.
- Hệ thống tấm phẳng đơn giản.
- Hộ gia đình có mái nghiêng, không yêu cầu áp suất nước cao.
- Khu vực không ổn định điện hoặc cần hệ thống bền, ít bảo trì.
Về IFK Solartech
IFK Solartech mang đến cho bạn không gian xanh hiện đại, nơi công nghệ và thiên nhiên hòa quyện hoàn hảo. Với các giải pháp năng lượng mặt trời tiên tiến, hệ thống vận hành thông minh và nhiều ứng dụng thân thiện với môi trường – đây chính là điểm đến lý tưởng cho một cuộc sống bền vững, tiết kiệm và xanh hơn mỗi ngày.
Trụ sở chính: 41 Đường 13 Quốc Lộ 13, Khu đô Thị Vạn Phúc, Thủ Đức, Tp. HCM
Văn phòng Di Linh: Số 8, Đường 3 Cây Thông, Tân Thượng, Di Linh, Lâm Đồng
Số điện thoại:(+84)282.247.7755
Email: info@soltech.ifkgroup.net
Website: https://soltech.ifkgroup.net/
Facebook: https://www.facebook.com/ifksolartech
Vietnamese