Công nghệ xi phông nhiệt , còn gọi là xi phông nhiệt , được coi là một công nghệ thích hợp . Quá trình này sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên, có thể tái tạo và các định luật cơ bản của nhiệt động lực học để tạo ra chuyển động của nguồn cung cấp không khí hoặc nước nóng. Nguồn năng lượng cho quá trình này là bức xạ mặt trời (hoặc bất kỳ nguồn nhiệt nào khác). Năng lượng của mặt trời được thu vào một thiết bị thu năng lượng mặt trời và được truyền vào không khí hoặc nước thông qua sự dẫn nhiệt. Toàn bộ quá trình có thể được giải thích bằng hiệu ứng xi phông nhiệt : khi không khí hoặc nước được làm nóng, nó nhận động năng từ nguồn làm nóng và trở nên bị kích thích. Kết quả là nước trở nên loãng hơn, nở ra và do đó dâng lên. Ngược lại, khi nước hoặc không khí được làm lạnh, năng lượng bị lấy ra khỏi các phân tử và nước trở nên kém hoạt động hơn, đậm đặc hơn và có xu hướng “chìm”. Quá trình xi phông nhiệt khai thác sự khác biệt về mật độ tự nhiên giữa chất lỏng nóng và lạnh và kiểm soát chúng trong một hệ thống tạo ra chuyển động chất lỏng tự nhiên. Một số hệ thống dựa trên công nghệ này hiện đang có sẵn và bạn có thể đọc chi tiết hơn trong phần văn bản sau.
Nguyên lý của hệ thống thermosyphon là nước lạnh có trọng lượng riêng (mật độ) cao hơn nước ấm nên nặng hơn sẽ chìm xuống. Do đó, bộ thu luôn được gắn bên dưới bể chứa nước, để nước lạnh từ bể đến bộ thu thông qua đường ống dẫn nước đi xuống. Nếu bộ thu làm nóng nước, nước sẽ dâng lên trở lại và chảy vào bể thông qua ống dẫn nước đi lên ở đầu trên của bộ thu. Chu trình của bể → ống nước → bộ thu đảm bảo nước được làm nóng cho đến khi đạt được nhiệt độ cân bằng. Sau đó, người tiêu dùng có thể sử dụng nước nóng từ phía trên bình chứa, lượng nước đã sử dụng sẽ được thay thế bằng nước lạnh ở phía dưới. Sau đó, người thu gom làm nóng nước lạnh một lần nữa. Do chênh lệch nhiệt độ cao hơn khi bức xạ mặt trời cao hơn, nước ấm tăng nhanh hơn so với khi bức xạ mặt trời thấp hơn. Do đó, sự tuần hoàn của nước tự điều chỉnh gần như hoàn hảo với mức độ bức xạ mặt trời. Bể chứa của hệ thống xi phông nhiệt phải được đặt ở vị trí cao hơn bộ thu, nếu không chu trình có thể chạy ngược trong đêm và toàn bộ nước sẽ nguội đi. Hơn nữa, xe đạp không hoạt động bình thường ở những chênh lệch độ cao rất nhỏ. Ở những vùng có bức xạ mặt trời cao và kiến trúc mái bằng, bể chứa thường được lắp đặt trên mái nhà.
Hệ thống Thermosyphon hoạt động rất tiết kiệm như hệ thống đun nước nóng sinh hoạt. Nguyên lý rất đơn giản, không cần máy bơm hay bộ điều khiển. Tuy nhiên, hệ thống thermosyphon thường không phù hợp với các hệ thống lớn, tức là những hệ thống có bề mặt thu gom hơn 10 mét vuông. Hơn nữa, rất khó để đặt bể phía trên bộ thu trong các tòa nhà có mái dốc và hệ thống xi phông nhiệt một mạch chỉ phù hợp với những vùng không có sương giá.
Nội dung
Vật lý cơ bản
Nhiệt động lực học là nghiên cứu về năng lượng .
- Định luật nhiệt động lực học thứ nhất - Phát biểu rằng năng lượng có thể bị biến đổi từ dạng này sang dạng khác, nhưng không thể tự sinh ra hay mất đi. Năng lượng luôn được bảo toàn.
Định luật này có thể được áp dụng cho sự chuyển động của nước trong hệ thống xi phông nhiệt: Năng lượng từ mặt trời được định hướng và truyền (thông qua dẫn truyền và đối lưu) sang nước, không khí hoặc một môi trường khác được lựa chọn. Quá trình sưởi ấm tự nhiên này giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng bên ngoài như nhiên liệu hóa thạch hoặc điện.
- Định luật thứ hai nhiệt động lực học - Phát biểu rằng trong mọi trao đổi năng lượng, nếu không có năng lượng đi vào hoặc rời khỏi hệ thì thế năng của trạng thái đó sẽ luôn nhỏ hơn thế năng của trạng thái ban đầu. Lợi nhuận ròng của một hệ thống luôn nhỏ hơn lợi nhuận ban đầu được đưa vào.
Năng lượng luôn được bảo toàn, tuy nhiên năng lượng (hoặc nhiệt trong trường hợp này) thường có thể bị mất đi trong một hệ thống nhất định (siphoning nhiệt) dưới dạng nhiệt. Việc thêm vật liệu cách nhiệt có giá trị R thích hợp vào hệ thống và hệ thống ống nước của nó có thể làm giảm đáng kể sự thất thoát nhiệt và do đó tăng hiệu quả.
- Định luật Planck - Bước sóng của bức xạ phát ra từ một bề mặt tỷ lệ thuận với nhiệt độ của bề mặt đó. Năng lượng được truyền do sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật. Các vật tối sẽ hấp thụ nhiệt, còn các vật sáng sẽ phản xạ nhiệt.
Các tấm thu có màu sẫm trong bộ thu năng lượng mặt trời sẽ giúp tăng khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời, do đó làm tăng lượng nhiệt có sẵn để làm nóng nước hoặc không khí trong quá trình xi phông nhiệt. Ngược lại, nên sử dụng đường ống và bể chứa phản chiếu hoặc có màu sáng vì màu sáng sẽ giúp giảm bức xạ nhiệt ra khỏi hệ thống.
Làm nóng nước thụ động
Quá trình xi phông nhiệt thụ động của nước là quá trình làm nóng và di chuyển nước trong một hệ thống mà không cần hoặc sử dụng điện. Quá trình này hoạt động bằng cách sử dụng các hiện tượng tự nhiên như năng lượng mặt trời, trọng lực và nguồn nước sẵn có. Bộ thu năng lượng mặt trời , đường ống và bể chứa nước là những vật liệu cần thiết cho quá trình sưởi ấm. Dòng nước được phân phối vào, bên trong và ra khỏi bộ thu năng lượng mặt trời. Nước mát đi vào đáy của bộ thu năng lượng mặt trời, sau đó được làm nóng thông qua sự đối lưu bằng bức xạ mặt trời. Khi nước được làm nóng, nó trở nên nhẹ hơn nước mát hơn, nở ra và sau đó dâng lên ( chảy ) qua đường ống. Nước nóng thoát ra khỏi đỉnh bộ thu năng lượng mặt trời một cách tự nhiên. Nước mát hơn và đậm đặc hơn sẽ chìm xuống và tồn tại trong bộ thu năng lượng mặt trời cho đến khi nó được làm nóng. Khi nước mát được làm nóng, nó nở ra, dâng lên, bị đẩy ra khỏi đỉnh bộ thu năng lượng mặt trời, cho phép nước mát chảy vào bộ thu năng lượng mặt trời. Quá trình này tiếp tục một cách tự nhiên cho đến khi nhiệt độ của nước đạt đến trạng thái cân bằng với lượng bức xạ mặt trời đầu vào.
Hiện nay có hai loại hệ thống trao đổi nước xi phông nhiệt: hệ thống liên kết chặt chẽ và hệ thống cấp nước bằng trọng lực.
Hệ thống liên kết chặt chẽ
.jpg?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=vi&_x_tr_hl=en-US&_x_tr_pto=wapp)
Các hệ thống liên kết chặt chẽ hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự của quá trình hút nhiệt thụ động đã đề cập ở trên. Bể chứa của các hệ thống này phải được đặt phía trên bộ thu năng lượng mặt trời để tận dụng sự tuần hoàn nước được thúc đẩy bởi quá trình xi phông nhiệt thụ động.
Nguyên vật liệu
- Năng lượng mặt trời
- Đâu thu mặt trơi
- Đường ống
- Vật liệu cách nhiệt
- Nước
- Bể chứa
- Mái nhà vững chắc hoặc hệ thống hỗ trợ khác
Trị giá
- Nghiên cứu năm 2007 cho thấy máy nước nóng xi phông nhiệt thụ động có thể có giá từ 500 USD đến 6.500 USD. Giá cả có thể thay đổi do kích thước bể, mức độ tiếp xúc với năng lượng mặt trời và vị trí địa lý
- Nhiều quốc gia, tiểu bang và dịch vụ tiện ích cung cấp các ưu đãi cho việc tham gia năng lượng tái tạo
Ưu điểm
- Không gây ô nhiễm
- Tiết kiệm năng lượng - Không cần điện cho quá trình xi phông nhiệt thụ động
- Chi phí hiệu quả
- Tiết kiệm không gian - (tức là trong nhà)
Nhược điểm
- Việc bể tiếp xúc với điều kiện môi trường bên ngoài có thể làm giảm hiệu quả, tùy thuộc vào vị trí địa lý
- Tính thẩm mỹ - Có thể được coi là không đẹp mắt
- Cần có kết cấu hỗ trợ vững chắc (tức là mái nhà)
- Không thích hợp với khí hậu quá lạnh
- Vị trí - phải được đặt ở khu vực có ánh nắng mặt trời phù hợp (tức là phía nam của khu vực mong muốn)
Hệ thống cấp liệu bằng trọng lực
.jpg?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=vi&_x_tr_hl=en-US&_x_tr_pto=wapp)
Hệ thống cấp liệu bằng trọng lực sử dụng các nguyên tắc tương tự của quá trình hút nhiệt thụ động cũng như hệ thống kết nối chặt chẽ, tuy nhiên vị trí đặt bể có khác nhau. Các bể chứa được lắp đặt nằm ngang trên mái nhà, thường nằm ngay phía trên bộ thu năng lượng mặt trời. Khi cần, nước nóng trong bể chứa sẽ đi theo con đường có ít lực cản nhất và di chuyển nhờ trọng lực xuống vị trí mong muốn. Hệ thống cấp liệu bằng trọng lực yêu cầu nhiều đường ống/hệ thống ống nước hơn để phân phối nước nóng và yếu tố này cần được xem xét khi lắp đặt hoặc mua hệ thống xi phông nhiệt.
Nguyên vật liệu
- Năng lượng mặt trời
- Đâu thu mặt trơi
- Đường ống
- Vật liệu cách nhiệt
- Nước
- Bể chứa
- Mái nhà vững chắc hoặc hệ thống hỗ trợ khác
Trị giá
- Hệ thống cấp liệu bằng trọng lực thường là máy đun nước nóng bằng phương pháp xi phông nhiệt thụ động ít tốn kém nhất
- Nghiên cứu năm 2007 cho thấy chi phí có thể dao động từ 400 USD đến 5.500 USD (không bao gồm chi phí lắp đặt nếu có). Giá cả có thể thay đổi do kích thước bể, mức độ tiếp xúc với năng lượng mặt trời và vị trí địa lý
- Nhiều quốc gia, tiểu bang và dịch vụ tiện ích cung cấp các ưu đãi cho việc tham gia năng lượng tái tạo
Ưu điểm
- Không gây ô nhiễm
- Tiết kiệm năng lượng - Không cần điện cho quá trình xi phông nhiệt thụ động
- Chi phí hiệu quả
- Tiết kiệm không gian - (tức là trong nhà)
- Tính thẩm mỹ - (Bố trí bể ngang)
Nhược điểm
- Hệ thống nước và đường ống làm tăng thêm chi phí cho hệ thống
- Tính thẩm mỹ - Có thể được coi là không đẹp mắt
- Cần có kết cấu hỗ trợ vững chắc (tức là mái nhà)
- Không thích hợp với khí hậu quá lạnh
- Vị trí - phải được đặt ở khu vực có ánh nắng mặt trời phù hợp (tức là phía nam của khu vực mong muốn)
Làm nóng nước chủ động
.jpg?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=vi&_x_tr_hl=en-US&_x_tr_pto=wapp)
Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời chủ động, còn được gọi là hệ thống bơm hoặc hệ thống phân chia , hoạt động trên cùng cơ sở hiệu ứng xi phông nhiệt , tuy nhiên các hệ thống hoạt động sử dụng nguồn năng lượng khác ngoài năng lượng mặt trời để giúp thúc đẩy quá trình. Hệ thống này chỉ lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trời trên mái nhà, trong khi bể chứa được lắp đặt trên mặt đất hoặc bất kỳ nơi nào khác bên dưới. Các thiết bị làm nóng nước đang hoạt động này yêu cầu một số dạng năng lượng bên ngoài để bơm nước đi khắp hệ thống. Bằng cách sử dụng năng lượng bổ sung, các hệ thống chủ động này sẽ tiết kiệm chi phí hơn so với các hệ thống thụ động.
Nguyên vật liệu
- Năng lượng mặt trời
- Đâu thu mặt trơi
- Năng lượng điện
- Bơm điện
- Đường ống bổ sung
- Vật liệu cách nhiệt
- Nước
- Bể chứa
Trị giá
- Nghiên cứu năm 2007 cho thấy máy nước nóng xi phông nhiệt hoạt động có thể có giá từ 1.200 USD đến 10.500 USD. Giá cả có thể thay đổi do kích thước bể, yêu cầu về đường ống bên trong, mức độ tiếp xúc với năng lượng mặt trời và vị trí địa lý
- Nhiều quốc gia, tiểu bang và dịch vụ tiện ích cung cấp các ưu đãi cho việc tham gia năng lượng tái tạo
Ưu điểm
- Tiết kiệm tiền
- Chi phí hiệu quả
- Tính thẩm mỹ - Bể chứa không đặt trên mái
- Giảm khí nhà kính - Nếu được cách nhiệt đúng cách, nó có khả năng gây ô nhiễm ít như các hệ thống thụ động.
Nhược điểm
- Sử dụng nhiều năng lượng hơn hệ thống thụ động
- Yêu cầu bảo trì nhiều hơn hệ thống thụ động
- Tổn thất nhiệt - trong quá trình chuyển từ bộ thu năng lượng mặt trời sang bể chứa bên dưới
- Gây ô nhiễm một số - từ việc sử dụng điện
- Vị trí - phải được đặt ở khu vực có ánh nắng mặt trời phù hợp (tức là phía nam của khu vực mong muốn)
Trao đổi không khí thụ động
_(3).jpg?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=vi&_x_tr_hl=en-US&_x_tr_pto=wapp)
Một ví dụ về phương pháp hệ thống sưởi nhiệt mặt trời thụ động là Trao đổi nhiệt Thermosiphon . Nó dựa trên nguyên lý đối lưu tự nhiên , trong đó không khí hoặc nước được lưu thông theo một mạch khép kín thẳng đứng mà không cần sử dụng máy bơm. Không khí mát trong nhà đi qua một lỗ thông hơi và được dẫn vào lỗ ở đáy bộ thu năng lượng mặt trời. Không khí chứa trong bộ thu năng lượng mặt trời sau đó được làm nóng bởi mặt trời thông qua bức xạ mặt trời . Không khí mát thì đậm đặc và sẽ chìm xuống, trong khi không khí ấm ít đậm đặc hơn và sẽ bay lên. Khi không khí nóng lên trong bộ thu năng lượng mặt trời, nó trở nên loãng hơn không khí mát hơn và bay lên. Không khí ấm thoát ra khỏi lỗ thông hơi ở lỗ trên cùng của bộ thu năng lượng mặt trời, di chuyển vào khu vực mong muốn (tức là trong nhà) và được thay thế bằng không khí mát hơn. Quá trình trao đổi không khí này sẽ tiếp tục cho đến khi nhiệt độ không khí trong nhà đạt trạng thái cân bằng với nhiệt độ ngoài trời.
Nguyên vật liệu
- Bộ thu năng lượng mặt trời - Bộ thu năng lượng mặt trời càng lớn thì càng tốt.
- Khung
- 6 bảng dọc 2 x 6 inch - Tủ bên
- Bảng 2 x 6 và bảng 2 x 8 - Bệ trên
- Vít trễ - Được khuyên dùng nhưng không cần thiết để gắn
- Kem phủ lên bánh
- Tấm polycarbonate sóng
- 10 tấm - rộng 26 inch, cao 8 ft
- Các cặp tấm chồng lên nhau trên dải gỗ thẳng đứng có kích thước 1 x 1 inch - Tạo các tấm rộng 4 foot cho mỗi khoang
- Lớp phủ chống tia cực tím - Áp dụng cho mặt hướng nắng để kéo dài tuổi thọ
- Tấm hấp thụ năng lượng mặt trời
- Màn cửa sổ kim loại đen 2 lớp - Dán ngang trên và dưới vịnh
- Lỗ thông hơi
- Các lỗ cắt xuyên qua vách ngoài của tòa nhà - Vạt nhựa sẽ ngăn luồng không khí quay ngược qua các lỗ thông hơi phía trên vào ban đêm.
Trị giá
- Nghiên cứu năm 2007 cho thấy bộ trao đổi nhiệt thụ động có thể dao động từ $55,00 đến $400. Giá cả có thể thay đổi do kích thước của bộ thu, cách nhiệt của khu vực được sưởi ấm, tiếp xúc với năng lượng mặt trời và vị trí địa lý.
- Nhiều quốc gia, tiểu bang và dịch vụ tiện ích cung cấp các ưu đãi cho việc tham gia năng lượng tái tạo
Ưu điểm
- Giá thấp
- Tiết kiệm năng lượng
- Giảm ô nhiễm
- Có thể dùng để làm mát các thiết bị điện tử
Nhược điểm
- Tăng cường bảo trì - (tức là che phủ trong thời gian bức xạ mặt trời thấp)
- Vị trí địa lý có thể làm thay đổi hiệu quả
- Yêu cầu đóng các bộ giảm chấn phía sau bằng tay vào ban đêm
- Ưu tiên trả góp hướng Nam
Các dự án liên quan
Người giới thiệu
- Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia (NREL) Bản đồ động, Dữ liệu GIS và Công cụ phân tích- Bản đồ năng lượng mặt trời (2007) Có sẵn: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Cây chanh, Joe. "Thermosyphons - Phương pháp làm mát CPU tốt hơn?" Những người ép xung. Ngày 5 tháng 8 năm 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Reysa, Gary. "Chế tạo một lò sưởi năng lượng mặt trời đơn giản" Tin tức Mẹ Trái đất. Tháng 1 năm 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- "Phần 2: Chuyến tham quan các ứng dụng năng lượng tái tạo." http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, NI, Belykova, IG "Giải phóng nhiệt trong quá trình ngưng tụ hơi trong xi phông nhiệt." Tạp chí Vật lý Kỹ thuật 43(3), tr.970-974, 1982.
- Thiết kế và hiệu suất của một bình giữ nhiệt nhỏ gọn. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M, Patel, C., Wenger, T. Trường Cơ khí Woodruff. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf
Dữ liệu trang