Máy điều hòa không khí năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng cần thiết để điều khiển chu trình làm lạnh. Tùy thuộc vào con đường chuyển đổi năng lượng, các phương pháp truyền động được chia thành ba loại chính: truyền động điện quang điện (PV), truyền động nhiệt mặt trời và truyền động lai quang điện-nhiệt (PVT). Mỗi danh mục tuân theo một logic kỹ thuật riêng biệt, phục vụ các tình huống ứng dụng khác nhau và liên quan đến các thành phần hệ thống duy nhất.
1. Máy điều hòa không khí năng lượng mặt trời chạy bằng quang điện
điều khiển bằng PV điều hòa không khí năng lượng mặt trời đại diện cho con đường công nghệ phổ biến nhất về mặt thương mại hiện nay. Hệ thống này bao gồm các tấm pin mặt trời, bộ điều khiển MPPT (Theo dõi điểm công suất tối đa), bộ biến tần và máy nén có tốc độ thay đổi. Pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều, sau đó được điều chỉnh và sử dụng để điều khiển máy nén làm mát.
Tùy thuộc vào kết nối lưới, hệ thống điều khiển bằng PV được cấu hình ở ba chế độ:
Hệ thống ngoài lưới
Máy điều hòa không khí sử dụng năng lượng mặt trời không nối lưới dựa vào bộ lưu trữ pin để hoạt động độc lập với bất kỳ lưới điện nào. Cấu hình này rất phù hợp với các vùng sâu vùng xa không có lưới điện. Những hạn chế chính là chi phí trả trước cao của bộ pin và chu kỳ bảo trì tương đối ngắn cho bộ lưu trữ.
Hệ thống nối lưới
Các hệ thống hòa lưới ưu tiên điện năng được tạo ra từ mặt trời để sử dụng cho điều hòa không khí, xuất điện dư thừa vào lưới điện và lấy từ lưới điện khi sản lượng mặt trời không đủ. Cấu hình này mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể tốt nhất và là lựa chọn ưu việt cho các tòa nhà thương mại và dự án dân cư.
Hệ thống truyền động trực tiếp DC
Hệ thống truyền động trực tiếp cấp nguồn cho máy nén trực tiếp từ đầu ra DC quang điện, loại bỏ giai đoạn biến tần và cải thiện hiệu suất hệ thống từ 5% đến 10%. Công suất làm mát thay đổi một cách tự nhiên theo cường độ bức xạ mặt trời, khiến cấu hình này đặc biệt hiệu quả ở những nơi tập trung nhu cầu làm mát vào ban ngày, chẳng hạn như trường học và tòa nhà văn phòng.
COP toàn hệ thống của máy điều hòa không khí năng lượng mặt trời chạy bằng PV được xác định bằng hiệu ứng tổng hợp của hiệu suất chuyển đổi bảng điều khiển, tổn thất biến tần và độ chính xác điều khiển tần số biến đổi của máy nén. Các tấm silicon đơn tinh thể phổ thông hiện nay đạt được hiệu suất từ 22% đến 24%. Kết hợp với máy nén biến tần DC hiệu suất cao, hiệu suất năng lượng hàng năm luôn ổn định.
2. Máy điều hòa không khí năng lượng mặt trời truyền động nhiệt
Hệ thống truyền động nhiệt mặt trời sử dụng nhiệt được thu thập bởi các bộ thu năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng trực tiếp cho chu trình làm lạnh nhiệt động lực học, bỏ qua hoàn toàn giai đoạn chuyển đổi quang điện. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ tổn thất chuyển đổi quang điện và mang lại giá trị sử dụng năng lượng mạnh mẽ ở các vùng có tải làm mát và bức xạ cao.
Hệ thống truyền động nhiệt hoạt động thông qua hai nhánh chu trình làm lạnh chính:
Điện lạnh hấp thụ
Hệ thống hấp thụ sử dụng các cặp chất lỏng làm việc — phổ biến nhất là nước lithium bromua (H₂O/LiBr) hoặc nước amoniac (NH₃/H₂O) — và được dẫn động bằng nước nóng ở nhiệt độ 80°C đến 180°C do bộ thu năng lượng mặt trời tạo ra. Nhiệt điều khiển một máy phát điện tách chất làm lạnh ra khỏi chất hấp thụ. Chất làm lạnh sau đó đi qua quá trình ngưng tụ, giãn nở, bay hơi và tái hấp thụ để hoàn thành chu trình làm mát.
Máy làm lạnh hấp thụ lithium bromide được sử dụng rộng rãi trong các dự án điều hòa không khí trung tâm lớn. Các thiết bị tác dụng đơn yêu cầu nhiệt độ vận hành khoảng 80°C đến 100°C, trong khi các thiết bị tác dụng kép yêu cầu nhiệt độ từ 150°C trở lên. Chúng thường được ghép nối với bộ thu ống sơ tán hoặc bộ thu tấm phẳng. Hệ thống amoniac-nước có thể đạt được khả năng làm mát dưới 0 và phù hợp hơn với các ứng dụng dây chuyền lạnh công nghiệp.
Điện lạnh hấp phụ
Hệ thống hấp phụ khai thác các đặc tính hấp phụ và giải hấp vật lý của chất hấp phụ rắn - chẳng hạn như silica gel, zeolit hoặc than hoạt tính - để điều khiển chu trình làm lạnh. Nhiệt độ truyền động cần thiết thường nằm trong khoảng từ 60°C đến 120°C, nhiệt độ này có thể được cung cấp trực tiếp bởi các bộ thu tấm phẳng nhiệt độ trung bình đến thấp. Hệ thống không có bộ phận chuyển động, có cấu trúc đơn giản và chi phí bảo trì thấp.
Cặp làm việc silica gel-nước hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ truyền động từ 60°C đến 85°C, đạt được COP khoảng 0,4 đến 0,6. Sự kết hợp này rất phù hợp với các ứng dụng điều hòa không khí bằng năng lượng mặt trời cho tòa nhà quy mô vừa và nhỏ. Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOF) đang được đưa vào nghiên cứu ứng dụng dưới dạng chất hấp phụ thế hệ tiếp theo, với diện tích bề mặt riêng đặc biệt cao và cấu trúc lỗ xốp có thể điều chỉnh giúp tăng khả năng hấp phụ đáng kể.
Làm mát bằng chất hút ẩm
Hệ thống làm mát bằng chất hút ẩm sử dụng chất hút ẩm dạng rắn hoặc lỏng để hút ẩm và làm mát trước không khí đi vào, bằng năng lượng nhiệt mặt trời để tái tạo chất hút ẩm đã qua sử dụng. Kết hợp với làm mát bay hơi, phương pháp này giúp giảm nhiệt độ hiệu quả. Ở những vùng có khí hậu nóng khô - chẳng hạn như Trung Đông và Tây Bắc Trung Quốc - việc làm mát bằng chất hút ẩm hoạt động với hiệu quả cao và đồng thời cung cấp khả năng kiểm soát độ ẩm. Công nghệ này có triển vọng ứng dụng mạnh mẽ trong hệ thống điều hòa không khí điều khiển độc lập nhiệt độ-độ ẩm (THIC).
3. Máy điều hòa không khí năng lượng mặt trời dẫn động lai quang điện (PVT)
Hệ thống PVT tích hợp các tấm quang điện và bộ thu nhiệt mặt trời vào một bộ phận duy nhất, đồng thời tạo ra điện và nhiệt. Trong quá trình hoạt động, các tế bào PV tạo ra nhiệt như một sản phẩm phụ, làm giảm hiệu suất chuyển đổi điện của chúng. Hệ thống PVT thu hồi nhiệt thải này thông qua các kênh dòng ở bảng điều khiển phía sau, nâng cao hiệu suất thu nhiệt trong khi vẫn giữ nhiệt độ hoạt động của tế bào ở mức thấp hơn — duy trì sản lượng điện ở mức cao hơn so với chỉ riêng mô-đun PV thông thường.
Đầu ra điện từ hệ thống PVT điều khiển máy điều hòa không khí nén hơi, trong khi đầu ra nhiệt đồng thời điều khiển máy làm lạnh hấp thụ hoặc hấp phụ hoặc bổ sung nguồn nhiệt trong mạch bơm nhiệt. Nguồn cung cấp điện và nhiệt phối hợp này cho phép tỷ lệ sử dụng năng lượng mặt trời tổng thể của máy điều hòa không khí mặt trời PVT đạt 60% đến 75% - cao hơn đáng kể so với các hệ thống PV độc lập ở mức khoảng 20% hoặc bộ thu nhiệt độc lập ở mức khoảng 45%.
Thách thức kỹ thuật cơ bản trong hệ thống PVT nằm ở sự kết hợp động của đầu ra điện và nhiệt cũng như thiết kế các chiến lược điều khiển hiệu quả. Phối hợp điều khiển máy nén tần số thay đổi với các thông số vận hành chu trình nhiệt động lực học - đặc biệt là trong điều kiện tải một phần - là một vấn đề quan trọng trong việc thực hiện dự án trong thế giới thực.
4. Tổng quan so sánh giữa ba loại ổ đĩa
| Thứ nguyên so sánh | Ổ điện PV | Ổ đĩa nhiệt mặt trời | Ổ đĩa lai PVT |
|---|---|---|---|
| Mẫu năng lượng đầu vào | Năng lượng điện | Năng lượng nhiệt | Năng lượng nhiệt điện |
| Độ phức tạp của hệ thống | Thấp | Trung bình đến cao | Cao |
| Công suất làm mát áp dụng | Nhỏ đến lớn | Trung bình đến lớn | Trung bình đến lớn |
| Vùng khí hậu thích hợp | Rộng | Cao-irradiance regions | Cao-irradiance regions |
| Mức đầu tư ban đầu | Trung bình | Tương đối cao | Cao |
| Tỷ lệ sử dụng năng lượng mặt trời tổng thể | ~18%–22% | ~35%–50% | ~60%–75% |
5. Những cân nhắc chính khi lựa chọn loại ổ đĩa
Ở giai đoạn lập kế hoạch dự án, việc lựa chọn loại ổ đĩa điều hòa không khí bằng năng lượng mặt trời đòi hỏi phải đánh giá toàn diện các nguồn bức xạ mặt trời cục bộ - bao gồm bức xạ ngang toàn cầu hàng năm và số giờ nắng cao điểm - cùng với việc xây dựng hồ sơ tải làm mát và sưởi ấm, điều kiện cơ sở hạ tầng lưới điện và tính kinh tế toàn bộ vòng đời.
Hệ thống truyền động điện PV rất phù hợp với các dự án có khả năng tiếp cận lưới điện đáng tin cậy, nơi nhu cầu làm mát phù hợp chặt chẽ với giờ cao điểm ban ngày. Hệ thống truyền động nhiệt mặt trời mang lại những lợi thế không thể thay thế trong các tòa nhà quy mô lớn, các ứng dụng làm mát công nghiệp và các vị trí không nối lưới có bức xạ cao. Ổ đĩa lai PVT thể hiện hướng tích hợp cao trong phát triển công nghệ điều hòa không khí bằng năng lượng mặt trời và phù hợp nhất cho các dự án công trình xanh và phát triển không phát thải carbon trong đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tối đa là yêu cầu cốt lõi.
Khi chi phí mô-đun quang điện tiếp tục giảm và hiệu suất vật liệu hấp phụ ngày càng tăng, cả ba lộ trình công nghệ điều khiển máy điều hòa không khí bằng năng lượng mặt trời đều đang được tăng tốc lặp lại. Tính kinh tế ở cấp độ hệ thống và độ tin cậy vận hành đang dần tiến gần đến ngưỡng cần thiết để triển khai thương mại trên quy mô lớn.
