“Điều hòa không khí đảo ngược” – giải pháp năng lượng mới cho các nước đang phát triển

Năng lượng mặt trời xuất hiện và trở thành 1 sự lựa chọn phù hợp cho các nước đang phát triển. Tuy nhiên đối với những khu vực nghèo khổ với cơ sở vật chất khó khăn thì đòi hỏi phải có các hệ thống có thể tự vận hành, duy trì và hơn hết là phải có giá thành thấp. Mặt khác, có những vùng mà nhu cầu về nước nóng cũng không hề thua kém so với lượng điện mà họ cần. Một nhóm nghiên cứu thuộc trường đại học MIT đã phát triển 1 giải pháp mới có thể đáp ứng được cả 2 nhu cầu này. Đó là 1 hệ thống năng lượng mặt trời được vận hành như là máy điều hòa không khí chạy ngược.

Nhắc đến những nước nghèo và đang phát triển bao giờ người ta cũng sẽ liên tưởng đến hình ảnh của sa mạc, rừng nhiệt đới, cao nguyên và khí hậu nóng ẩm. Tuy nhiên cũng có 1 số vùng nằm trong vùng khí hậu ôn đới với khí hậu giá lạnh. Điển hình là Nam Phi nơi mà sẽ rất lạnh vào mùa đông. Do đó ngoài nhu cầu về điện năng, nguồn nước nóng cũng rất cần thiết đối với những vùng này.

Theo nhà nghiên cứu Matthew Orosz thuộc trường đại hoc MIT, có 30000 trạm y tế và 60000 trường học thiếu điện nhưng lại được hưởng ánh nắng mặt trời đủ đáp ứng cho nhu cầu năng lượng của họ. Nắm được điều đó, 1 tổ chức phi lợi nhuận được gọi là Solar Turbine Group (STG) được thành lập để phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời mới.

Sản phẩm đầu tay của họ là 1 hệ thống năng lượng mặt trời được lắp đặt lần đầu tiên tại Matjotjo Village Health Clinic ở Lesotho. Hình dáng bên ngoài của hệ thống có vẻ khá thông thường với gương cầu parabol tập trung ánh sáng mặt trời vào 1 ống. Tuy nhiên đây không phải là 1 hệ thống sử dụng hơi nước hay nước nóng thông thường. Thay vào đó, STG phát triển một hệ thống sử dụng một chu trình Rankine hữu cơ (ORC).

Một hệ thống ORC về cơ bản là một chu trình Rankine nhưng nước được thay thế bằng một chất lỏng hữu cơ tương tự như được sử dụng trong điều hòa không khí thương mại. Thật ra, STG không phải sử dụng chất lỏng dùng trong điều hòa không khí để chạy 1 máy điều hòa không khí bình thường, mà là điều hòa không khí chạy ngược.

Lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời ORC tại Lesotho

Máy điều hòa không khí sử dụng một chất lỏng có nhiệt độ bay hơi rất thấp, chẳng hạn như ammonia hoặc hoá chất hữu cơ. Các chất lỏng này sẽ được đi qua 1 máy giản nở để làm bay hơi. Vì quá trình bay hơi sẽ hấp thu nhiệt lượng nên không khí ấm bên ngoài sau khi qua máy điều hòa sẽ bị mất nhiệt và trở nên lạnh hơn ở đầu ra từ đó làm lạnh không khí bên ngoài. Sau khi chất lỏng bay hơi hết, hơi sẽ được đi qua 1 máy nén để chuyển thành thể lỏng và khép kín chu trình làm lạnh.

Trong hệ thống của STG, chu kỳ chạy ngược lại. Thay vì làm mát một ngôi nhà, hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để làm nóng chất lỏng và biến nó thành một chất khí nóng. Khí nóng này làm quay tuabin của máy phát điện và nhiệt thừa được sử dụng để làm nóng nước. Đây là 1 trong những nguyên lý cơ bản của Michael Faraday được sử dụng trong động cơ điện hay máy phát điện. Cho dòng điện vào thì làm chạy động cơ và ngược lại, quay động cơ sẽ tạo ra điện.

Mấu chốt của hệ thống là 1 bộ phận có tên “scroll expander” (tạm dịch là cuộn giản nỡ). Đây là một phiên bản ngược lại của một bộ phận trong điều hòa không khí thông thường được gọi là “scroll compressor” (tạm dịch là cuộn nén). Nhóm nghiên cứu cố tình chọn sử dụng các bộ phận của máy điều hòa không khí là để giảm bớt chi phí và làm cho việc bảo trì dễ dàng hơn, mặt khác sử dụng các bộ có sẵn sẽ thuận tiện hơn là việc đặt hàng 1 chi tiết đặt biệt nào đó hay tự chế tạo ra chúng.

Mô phỏng chu trình làm việc của Scroll Compressor (nguồn: http://www.aircompeq.com)

Cuộn giãn nở hay cuộn nén được làm từ 2 cuộn kim loại quấn vào theo 2 chiều ngược nhau. Khi được dùng như cuộn nén, cuộn bên trong sẽ được quay lệch tâm theo kiểu trục cam còn cuộn ngoài sẽ đứng yên. Trong quá trình di chuyển, cuộn trong sẽ tạo ra lực ép lên cuộn ngoài và nén khí ở giữa 2 cuộn. Theo thời gian, khí sẽ vừa được nén vừa được chuyển vào trung tâm của cuộn dây, càng vào trung tâm thì lực nén càng tăng nên khí sẽ càng bị nén nhiều hơn cho đến khi trở thành dạng lỏng.

Ban đầu, hệ thống STG yêu cầu một nhà điều hành có kỹ năng để xử lý các thay đổi điện áp, nhưng các phiên bản gần đây sử dụng một hệ thống kiểm soát máy tính. Hệ thống này hiện nay có thể tự vận hành liên tục nhưng đòi hỏi phải được làm sạch các gương sau mỗi sáu tháng.

Phiên bản mới của hệ thống đang được nhóm STG  thử nghiệm và dự tính sẽ lắp đặt tại các trường học và bệnh viện tại Châu Phi. Video dưới đây giải thích cách hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời ORC STG.

Nguồn: gizmag.com
butida @ MES Lab., biên dịch

Authors

Related posts

*

Top