Máy cất nước năng lượng mặt trời là một chiếc bể nông đáy đen, phủ mặt kính nghiêng: nắng làm nước mặn hoặc nước bẩn trong bể nóng lên và bay hơi, hơi nước ngưng tụ dưới mặt kính mát hơn rồi chảy theo độ dốc vào máng hứng thành nước sạch. Không cần điện, không cần màng lọc, nhưng sản lượng nhỏ: một mét vuông thường cho khoảng 2 đến 5 lít nước mỗi ngày nắng. Đó là lời giải hợp cho hộ gia đình ở đảo xa, vùng nhiễm mặn, nơi có nắng và có nước mặn nhưng thiếu nước ngọt.
Nguyên lý: một vòng tuần hoàn nước thu nhỏ
Trái đất tự cất nước mỗi ngày: nắng làm nước biển bay hơi, muối ở lại, hơi nước lên cao gặp lạnh thành mây, mưa rơi xuống là nước ngọt. Máy cất nước năng lượng mặt trời gói vòng ấy vào một chiếc hộp:
- Hấp thụ: ánh nắng đi qua mặt kính, đập vào đáy bể sơn đen và lớp nước nông, biến thành nhiệt.
- Bay hơi: nước nóng lên, có thể tới 50 đến 70 °C vào trưa nắng, bay hơi mạnh. Muối, cặn, phần lớn vi sinh vật không bay hơi nên ở lại trong bể.
- Ngưng tụ: mặt kính tiếp xúc với không khí bên ngoài nên mát hơn hơi nước trong hộp; hơi ngưng thành giọt bám mặt dưới kính.
- Thu nước: giọt nước chảy theo mặt kính nghiêng xuống máng hứng ở cạnh thấp, dẫn ra bình chứa.
Kính vừa là "cửa sổ" cho nắng vào vừa là "ống sinh hàn". Hiệu ứng nhà kính giữ nhiệt bên trong, còn mặt ngoài kính được gió làm mát. Chênh lệch nhiệt giữa mặt nước và mặt kính càng lớn, máy càng cho nhiều nước.
Một mét vuông cho được bao nhiêu nước
Đây là câu hỏi quan trọng nhất, và vật lý cho câu trả lời khá thẳng thắn. Muốn biến 1 kg nước thành hơi cần khoảng 2,3 MJ, tức chừng 0,63 kWh. Ở Việt Nam, một mét vuông mặt đất nhận trung bình khoảng 4 đến 5,5 kWh năng lượng mặt trời mỗi ngày, cao hơn ở Nam Trung Bộ và Nam Bộ, thấp hơn ở miền Bắc vào mùa đông. Nếu toàn bộ năng lượng ấy dùng để làm bay hơi nước thì mỗi mét vuông cho tối đa chừng 6 đến 9 lít.
Thực tế không có máy nào đạt mức đó. Một phần nắng bị kính phản xạ, một phần nhiệt thất thoát qua đáy và thành bể, một phần hơi nước ngưng rồi nhỏ ngược vào bể. Máy loại một tầng đơn giản thường đạt hiệu suất khoảng 30 đến 45%, tức 2 đến 4 lít mỗi mét vuông vào ngày nắng tốt; ngày mưa, nhiều mây thì gần như không có nước.
| Nhu cầu | Lượng nước mỗi ngày (ước tính) | Diện tích máy cần (ở mức 3 lít/m²) |
|---|---|---|
| Nước uống cho 1 người lớn | 2–3 lít | khoảng 1 m² |
| Nước uống, nấu ăn cho gia đình 4 người | khoảng 10–12 lít | khoảng 3,5–4 m² |
| Nước uống cho một lớp học 30 em | khoảng 30–45 lít | khoảng 10–15 m² |
Con số trên cho thấy rõ vị trí của máy cất nước mặt trời: đủ cho nước uống và nấu ăn, không đủ cho tắm giặt. Nó không cạnh tranh với nhà máy nước, mà lấp chỗ trống ở nơi không có nhà máy nước.
Từ mỏ muối Chile tới phao cứu sinh
Máy cất nước mặt trời lớn đầu tiên được ghi nhận xây năm 1872 ở Las Salinas, vùng sa mạc phía bắc Chile, nơi có mỏ nitrat nhưng chỉ có nước giếng mặn. Kỹ sư Charles Wilson cho dựng một hệ thống bể kính rộng khoảng 4.700 mét vuông, những ngày nắng tốt cho khoảng hai mươi nghìn lít nước ngọt, đủ cung cấp cho công nhân và đàn la kéo xe của mỏ. Hệ thống này được kể là hoạt động trong khoảng bốn mươi năm.
Đến thập niên 1940, nhà khoa học Maria Telkes, người được mệnh danh "bà hoàng mặt trời" vì cả đời nghiên cứu năng lượng mặt trời, thiết kế một máy cất nước bơm hơi gấp gọn cho phao cứu sinh. Người gặp nạn trên biển thả nó nổi bên cạnh, nắng làm nước biển bay hơi, thu được một lượng nước uống nhỏ nhưng có thể cứu mạng. Từ đó tới nay, nguyên lý không đổi; chỉ có vật liệu, lớp phủ và thiết kế nhiều tầng giúp tận dụng lại nhiệt ngưng tụ là được cải tiến.
Cấu tạo một máy cất nước kiểu bể
- Bể chứa nông: lớp nước chỉ vài phân để nóng nhanh. Đáy sơn đen mờ, hoặc lót tấm cao su, nhựa đen chịu nhiệt loại an toàn cho nước uống.
- Cách nhiệt đáy và thành: lớp xốp, mùn cưa khô, rơm dưới đáy giữ nhiệt không thất thoát xuống đất.
- Mặt kính nghiêng: góc nghiêng khoảng 10 đến 30 độ để giọt nước chảy kịp xuống máng mà không nhỏ ngược vào bể. Kính thường tốt hơn tấm nhựa, vì nước tạo màng mỏng trên kính và chảy đều, còn trên nhựa hay đọng giọt to rồi rơi.
- Máng hứng: chạy dọc cạnh thấp, nối ống ra bình chứa có nắp.
- Gioăng kín: mọi khe hở là chỗ hơi nước thoát ra ngoài thay vì ngưng trên kính.
- Cửa nạp và cửa xả: để bổ sung nước và xả bỏ phần nước muối đậm đặc định kỳ, tránh muối đóng cặn dày trên đáy.
Có những biến thể hai mái kính hình chữ A, những máy nhiều tầng tận dụng nhiệt của tầng dưới để đun tầng trên, và những thiết kế dùng vải bấc hút nước để tăng diện tích bay hơi. Tất cả đều xoay quanh ba việc: hấp thụ nhiều nắng, giữ nhiệt tốt, ngưng tụ hiệu quả.
Nước cất mặt trời sạch tới đâu
Bay hơi rồi ngưng tụ loại bỏ rất tốt muối, kim loại nặng như asen, chì, phần lớn vi khuẩn, ký sinh trùng và cặn lơ lửng, vì chúng không bay theo hơi nước. Nhưng có những thứ máy không loại được:
- Chất hữu cơ dễ bay hơi: xăng dầu, dung môi, một số thuốc bảo vệ thực vật có thể bay theo hơi và ngưng cùng nước. Không dùng máy cho nguồn nước nghi nhiễm hoá chất.
- Nhiễm bẩn sau khi ngưng: máng hứng, ống dẫn, bình chứa bẩn sẽ làm nước sạch nhiễm khuẩn trở lại. Vệ sinh định kỳ, đậy kín bình chứa.
- Vật liệu không đạt chuẩn: sơn, keo, nhựa không dành cho nước uống có thể nhả chất lạ khi bị nung nóng ngày này qua ngày khác.
Nước cất mặt trời cũng gần như không có khoáng, giống nước cất. Uống được, nhưng không phải lý do để bỏ các nguồn khoáng từ thức ăn. Ở những nơi dùng lâu dài, người ta thường trộn với nước mưa hoặc nước giếng đã xử lý. Trước khi dùng cho trẻ nhỏ hoặc dùng làm nguồn nước chính, nên gửi mẫu kiểm tra ở trung tâm y tế dự phòng hoặc cơ sở xét nghiệm nước của tỉnh.
So với lọc RO và nước mưa
| Tiêu chí | Máy cất nước mặt trời | Máy lọc RO gia đình | Bể hứng nước mưa |
|---|---|---|---|
| Cần điện | Không | Có, kèm áp lực nước | Không |
| Xử lý nước mặn | Được, kể cả nước biển | Máy gia đình không xử lý được nước biển | Không áp dụng |
| Sản lượng | Thấp, 2–4 lít/m²/ngày nắng | Cao, vài chục lít mỗi giờ | Phụ thuộc mùa mưa |
| Bảo dưỡng | Lau kính, xả muối, vệ sinh máng | Thay lõi lọc, màng theo định kỳ | Vệ sinh mái, bể, lưới chắn |
| Nước thải | Nước muối đậm đặc, lượng nhỏ | Thường thải lượng nước bằng hoặc nhiều hơn nước sạch thu được, tuỳ máy | Không |
Ở các vùng ven biển và đồng bằng sông Cửu Long, những đợt hạn mặn nặng như mùa khô 2015–2016 và 2019–2020 cho thấy nhu cầu về nguồn nước ngọt dự phòng cho hộ gia đình. Máy cất nước mặt trời là một trong những lựa chọn bên cạnh bể chứa nước mưa và hệ thống cấp nước tập trung, hợp nhất cho những nơi xa lưới điện và có nắng tốt quanh năm.
"Hố cất nước" sinh tồn: đừng kỳ vọng nhiều
Sách sinh tồn hay mô tả cách đào hố, phủ tấm nhựa, đặt cốc giữa hố để hứng nước ngưng. Nguyên lý đúng, nhưng các phép thử thực địa cho thấy một hố như vậy thường cho rất ít nước mỗi ngày, có khi dưới một lít, trong khi người đào hố dưới nắng mất mồ hôi còn nhiều hơn thế. Đây là kiến thức nên biết, không phải chiến lược nên trông cậy; mang đủ nước vẫn là nguyên tắc số một khi đi vào vùng khô hạn.
Làm thử một mô hình nhỏ cùng trẻ
Không cần đun nấu, không có lửa, chỉ cần nắng:
- Pha một chậu nước muối, nhỏ vài giọt màu thực phẩm.
- Đặt một chiếc cốc sạch, nặng hoặc kê vật nặng bên trong, vào giữa chậu; miệng cốc cao hơn mặt nước.
- Phủ màng bọc thực phẩm kín miệng chậu, buộc chun quanh mép.
- Đặt một viên sỏi nhỏ lên màng, ngay trên miệng cốc, để màng võng xuống thành hình phễu.
- Để chậu ngoài nắng vài giờ, rồi mở ra xem.
Trong cốc sẽ có một ít nước trong, không màu, nếm thử không mặn, trong khi chậu vẫn đầy nước màu mặn. Lượng nước thu được rất ít, đúng như phép tính ở trên. Chính sự ít ỏi ấy là bài học: nó giúp trẻ hiểu vì sao nước ngọt quý, và vì sao những cánh đồng muối phải rộng tới vậy.
Câu hỏi thường gặp
Máy cất nước năng lượng mặt trời hoạt động thế nào?
Nắng xuyên qua mặt kính làm nóng nước trong bể đáy đen, nước bay hơi để lại muối và cặn. Hơi nước ngưng tụ dưới mặt kính mát hơn, chảy theo độ nghiêng vào máng hứng thành nước sạch.
Một mét vuông máy cất nước mặt trời cho bao nhiêu lít mỗi ngày?
Máy loại bể một tầng thường cho khoảng 2 đến 4 lít mỗi mét vuông vào ngày nắng tốt, thiết kế tốt có thể nhỉnh hơn. Ngày nhiều mây, mưa thì sản lượng giảm mạnh.
Nước cất bằng năng lượng mặt trời có uống được không?
Nước thu được từ máy sạch, vật liệu đạt chuẩn và nguồn nước không nhiễm hoá chất dễ bay hơi thường rất ít muối và vi sinh. Tuy vậy nó thiếu khoáng và có thể nhiễm bẩn nếu máng, bình chứa không sạch; nên kiểm tra mẫu trước khi dùng làm nguồn nước chính.
Máy cất nước mặt trời có lọc được nước nhiễm mặn không?
Được, kể cả nước biển, vì muối không bay hơi theo nước. Đây là ưu điểm lớn so với máy lọc RO gia đình thông thường, vốn cần điện và chỉ hợp với nước lợ nhẹ.
Cần bao nhiêu mét vuông máy cất nước cho một gia đình?
Một gia đình 4 người cần khoảng 10 đến 12 lít nước uống và nấu ăn mỗi ngày, tương ứng khoảng 3,5 đến 4 mét vuông máy ở mức 3 lít mỗi mét vuông. Máy cất nước mặt trời không đủ cho tắm giặt.
