Từ năm 1975, việc sử dụng năng lượng mặt trời đã trở nên phổ biến trong việc nung nóng nước. Mặc dù việc dùng năng lượng mặt trời lần đầu tiên đã cách đó nhiều năm trước, cho đến thời điểm này mới được thương mại hoá.

Với sự khủng hoảng năng lượng năm 1975, chi phí xăng dầu đã ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí điện. Đồng thời với sự gia tăng hiểu biết của dân chúng phải tiết kiệm nguồn tài nguyên hữu hạn cho tương lai. Hai nhân tố này đã thúc đẩy việc phát triển MNN năng lượng mặt trời trên thị trường.

Tất cả các MNN năng lượng mặt trời đều có dạng bình chứa, bình chứa đều được cách nhiệt và với một hay nhiều tấm thu nhiệt để thu năng lượng  mặt trời và truyền nhiệt sang nước chứa trong bình chứa.

Năng lượng mặt trời.

Quang năng là năng lượng được phát xạ từ mặt trời. Năng lượng dùng để nung nóng nước là quang năng. Phát xạ này trong phạm vi ánh sáng của từ phổ, tuy nhiên một số bức xạ tử ngoại và hồng ngoại có thể đi xuyên qua bầu khí quyển của trái đất và đi đến mặt đất. Trái đất xoay trong suốt 24 giờ của 1 ngày, bề mặt đất của 1 vùng nào đó chỉ có thể nhận được bức xạ mặt trời trong vài giờ trong ngày. Quá trình này thay đổi theo từng mùa, từ mùa hè sang mùa đông khi góc của ánh nắng thay đổi so với phương ngang. Trong mùa hè, phát xạ mặt trời xuất hiện khoảng 8 giờ/ngày, vào mùa đông thì giảm xuống còn 5 hoặc 6 tiếng/ ngày.

Phát xạ ánh sáng trực tiếp / ánh sáng khuyếch tán

Khi có 1 đường trực tiếp từ mặt trời đến 1 điểm trên mặt đất - không bị chắn ngang bởi mây - Bức xạ trực tiếp hoặc ánh nắng sẽ đến trực tiếp mặt đất. Khi có đám mây thì nó sẽ chắn ngang dòng phát xạ này và phản xạ phát xạ từ nơi này sang nơi khác, mặt đất hấp thu phát xạ mặt trời sẽ bị khuyếch tán. Cả dòng phát xạ trực tiếp và dòng khuyếch tán đều có khả năng nung nóng nước. Điều nay giải thích lý do tại sao MNN năng lượng mặt trời vẫn có thể nung nóng ngay cả khi ngày trời bị mây mù vì dòng khuyếch tán vẫn có thể nung nóng nước.

Đơn vị đo lường phát xạ ánh sáng

Mức độ năng lượng phát xạ ánh sáng đến bề mặt trái đất được đo bằng đơn vị Megajoul/m²/ngày (MJ/m²/ngày). Bình thường gía trị được dùng là “tổng phát xạ ánh sáng”, là sự kết hợp của phát xạ ánh sáng trực tiếp và ánh sáng khuyếch tán. Mức độ năng lượng phát xạ ánh sáng thay đổi theo từng tháng, và từng vị trí địa lý. Các vị trí trên xích đạo sẽ nhận được mức độ phát xạ ánh sáng cao hơn và đồng đều hơn các vị trí gần địa cực như Hobart với toạ độ 43⁰S.

Hướng của tấm kính thu nhiệt

Các thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời cần phải xoay về hướng mắt trời. Khi trái đất xoay xung quanh trục bắc-nam, xích đạo là điểm gần mặt trời nhất. Do đó, tất cả các tấm kính thu nhiệt nên hướng về xích đạo.

Ở nam bán cầu, tất cả các tấm thu nhiệt phải xoay về hướng bắc. Ở bắc bán cầu, các tấm kính thu nhiệt nên xoay về hướng nam.  Độ lệch cho phép lớn nhất là 45⁰  (giữa hướng tây bắc và đông bắc đối với vùng nam bán cầu và hướng tây nam hoặc đông nam đối với vùng bắc bán cầu). Bất kỳ cách tính về việc hấp thụ năng lượng mặt trời hoặc tính toán hệ thống đều phải giảm đi 5% năng lượng hao tổn nếu hướng lệch lên đến 45⁰ về hướng bắc hoặc hướng nam.

Các dãy tấm thu nhiệt sẽ xoay quanh hình vòng cung khi chúng xoay quanh trục theo hướng mặt trời. Thông tin trên đây dùng cho những tấm thu nhiệt cố định.

Độ nghiêng của tấm kính thu nhiệt

Độ nghiêng của tấm kính thu nhiệt rất quan trọng nếu muốn nhận được năng lượng mặt trời tối đa. Khi vị trí lắp đặt cách xa xích đạo, độ nghiêng của tấm kính thu nhiệt sẽ tăng lên để phát xạ ánh sáng mặt trời đi theo đường thẳng từ mặt trời đến kính thu nhiệt ở góc 90⁰. Khi phát xạ năng lựơng mặt trời đi đến kính thu nhiệt ở góc khác với 90⁰, một số phát xạ ánh sáng sẽ bị phản xạ khỏi tấm kính thu nhiệt và sẽ bị khuyếch tán sang bề mặt khác. Góc nghiêng thông thường cho Darwin là 12⁰. Góc nghiêng nhỏ nhất là 5⁰, vì nước nóng sẽ dâng lên trong kính thu nhiệt để cho hiệu suất lấy nước nóng cao nhất. Do đó, nếu tấm kính thu nhiệt được đặt ở vùng cận xích đạo thì sẽ có độ nghiêng là 5⁰. Một số loại kính thu nhiệt ứng dụng nguyên lý nhiệt đối lưu để tuần hoàn nước với độ nghiêng nhỏ nhất là 10⁰. Máy nước nóng năng lượng mặt trời Rheem/Vulcan là 1 ví dụ cho nguyên lý ứng dụng này.

Việc hấp thu quang năng để nung nóng nước trong suốt những tháng mùa đông thì thường gặp khó khăn vì nước lạnh hơn mà quang năng thì ít hơn. Vào mùa hè, thì ngược lại. Để cải thiện hiệu suất trong mùa đông thì độ nghiêng của kính thu nhiệt sẽ lớn hơn so với góc vĩ độ (góc vĩ độ + 15%) trong khi hiệu suất vào mùa hè sẽ đạt mức tối đa nếu như độ nghiêng của kính thu nhiệt nhỏ hơn bình thường (Góc vĩ độ - 10%). Tuy nhiên, độ nghiêng nhỏ nhất của kính thu nhiệt không được nhỏ hơn 90% so với góc vĩ độ.

* Góc vĩ độ: Góc của một nơi ở phía Bắc hoặc phía Nam đối với xích đạo.