Giáo trình hướng dẫn cách tính năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển phần 4 pps

36 2.3.6. Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ (DA) Tích số DA của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ đợc xem nh ký hiệu biểu diễn tính chất của một tổ hợp bộ thu và kính (DA). Trong số bức xạ xuyên qua kính và tới bề mặt bộ thu, một phần lại bị phản xạ trở lại hệ thống kính. Tuy nhiên, không phải tất cả lợng bức xạ này bị mất đi mà một phần lớn trong số đó lại đợc phản xạ trở lại bộ thu nhờ hiệu ứng lồng kính (nh biểu diễn trong hình 2.13), trong đó D là hệ số truyền qua của hệ thống kính và A là hệ số hấp thụ của bề mặt bộ thu. Nh vậy trong số năng lợng tới, DA là phần sẽ đợc bộ thu hấp thụ, còn (1-A)D là phần bị phản xạ trở lại hệ thống kính che. Sự phản xạ này đợc giả thiết là khuếch tán và nh vậy phần năng lợng (1- A)D tới tấm phủ là bức xạ khuếch tán và (1- A).D.R d là phần đợc phản xạ trở lại bề mặt bộ thu. Đại lợng R d là hệ số phản xạ của hệ thống kính đối với bức xạ khuếch tán từ bề mặt bộ thu và có thể xác định từ phơng trình R d = D a (1-D r ) = D a - D nh độ chênh lệch giữa D a và D ở góc tới 60 0 . Nếu hệ thống kính gồm 2 lớp (hay nhiều lớp) thì R d sẽ hơi khác so với độ phản xạ khuếch tán của bức xạ tới. Sự phản xạ nhiều lần đối với bức xạ khuếch tán sẽ tiếp tục để cho phần năng lợng tới đợc hấp thụ có trị số: () ( ) [] () = == 0 11 1 n d n d RA DA RADADA D D(1-)R 22 D (1-)D (1- )DR (1- ) DR (1- ) DR 2 2 D(1-) R 2 d d d d d Bức xạ mặt trời đến Hệ thống lớp kính Bề mặt hấp thụ Hình 2.13. Quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính 37 Nói khác đi, sẽ có (DA) phần năng lợng bức xạ truyền tới đợc bề mặt hấp thụ bộ thu. Trong thực tế A khá lớn và R d khá nhỏ nên một cách gần đúng ngời ta thờng xác định: (DA) = 1,01 . D . A Do D và A phụ thuộc góc tới nên đơng nhiên tích số (DA) cũng phụ thuộc góc tới . Để xác định quan hệ giữa (DA) và có thể sử dụng đồ thị ở hình 2.14, trong đó (DA) n là tích số (DA) ứng với trờng hợp tia tới vuông góc với bề mặt bộ thu ( = 0). 2.3.7. Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ đợc của bộ thu Năng lợng bức xạ mặt trời đợc bộ thu hấp thụ gồm 3 thành phần chính: trực xạ, tán xạ, phản xạ của mặt đất. Với bộ thu đặt nghiêng một góc ta có tổng bức xạ mặt trời hấp thụ của bộ thu nh sau: () () ()() ++ + += 2 cos1 2 cos1 g dbd d d b bb DAEERDAEDABES E b , E d là cờng độ bức xạ trực xạ và tán xạ, 010203040 50 60 70 80 90 0 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 n ( ) o Số lớp kính 1 2 3 4 (D ) (D) Hình 2.14. Đờng cong (DA)/(DA) n của bộ thu có 1,2,3,4 lớp kính. 38 B b là tỷ số giữa bức xạ trực xạ lên mặt phẳng nghiêng và lên mặt phẳng nằm ngang, (1+cos)/2 và (1-cos)/2 là hệ số góc của bộ thu đối với tơng ứng bầu trời và mặt đất, (DA) b , (DA) d, (DA) g là tích số hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ tơng ứng đối với trực xạ, tán xạ và phản xạ từ mặt đất. 2.4. Cân bằng nhiệt và nhiệt độ cân bằng của vật thu bức xạ mặt trời Nhióỷt õọỹ cỏn bũng cuớa vỏỷt thu bổùc xaỷ mỷt trồỡi laỡ nhióỷt õọỹ ọứn õởnh trón bóử mỷt vỏỷt, khi coù sổỷ cỏn bũng giổợa cọng suỏỳt bổùc xaỷ vỏỷt hỏỳp thuỷ õổồỹc vaỡ cọng suỏỳt nhióỷt phaùt tổỡ vỏỷt ra mọi trổồỡng. Nhióỷt õọỹ cỏn bũng chờnh laỡ nhióỷt õọỹ lồùn nhỏỳt maỡ vỏỷt coù thóứ õaỷt tồùi sau thồỡi gian thu bổùc xaỷ mỷt trồỡi õaợ lỏu, khi U cuớa vỏỷt = 0. Nhióỷt õọỹ cỏn bũng cuớa vỏỷt thu bổùc xaỷ mỷt trồỡi laỡ nhióỷt õọỹ ọứn õởnh trón bóử mỷt vỏỷt, khi coù sổỷ cỏn bũng giổợa cọng suỏỳt bổùc xaỷ vỏỷt hỏỳ p thuỷ dổồỹc vaỡ cọng suỏỳt nhióỷt phaùt tổỡ vỏỷt ra mọi trổồỡng. Ta seợ lỏỷp cọng thổùc tờnh nhióỷt õọỹ cỏn bũng T cuớa vỏỷt V coù dióỷn tờch xung quanh F, hóỷ sọỳ hỏỳp thuỷ A, hóỷ sọỳ bổùc xaỷ õỷt trong chỏn khọng caùch mỷt trồỡi mọỹt khoaớng r coù dióỷn tờch hổùng nừng F t , laỡ hỗnh chióỳu cuớa F lón mỷt phúng vuọng goùc tia nừng, hay chờnh laỡ dióỷn tờch caùi boùng cuớa V. Phổồng trỗnh cỏn bũng nhióỷt cho V coù daỷng: Cọng suỏỳt do V hỏỳp thuỷ = Cọng suỏỳt phaùt bổùc xaỷ tổỡ V. Hay: A.E t .F t = E.F A. 0 .T 0 4 (D/2r) 2 .F t = . 0 .T 0 4 F . Suy ra: T(r, F t , F, A, ) = 4 1 2 1 0 2 F AF r D T t , [K] Ft MT TRèI D, To T, F, A, r Ft() F, V, A, C, , t() E() tf MT Hỗnh 2.15. Xaùc õởnh T vaỡ t () 39 Nóỳu V laỡ vỏỷt xaùm, coù A = , thỗ T(r, F t , F) = 4 1 2 1 0 2 F F r D T t , [K] Nóỳu V laỡ vỏỷt xaùm hỗnh cỏửu, coù F t /F=1/4, thỗ T(r) = r D T 0 2 1 , [K] Nóỳu vỏỷt V coù thọng sọỳ (, C, , A, F, V) õỷt trong khờ quyóứn nhióỷt õọỹ t f , toaớ nhióỷt phổùc hồỹp hóỷ sọỳ , thỗ phổồng trỗnh cỏn bũng nhióỷt trong thồỡi gian d cho V la ỡ: Q A = dU + Q hay A.E n .sin(.).F t ().d = .V.C.dt + .F.(t - t f ) .d coù daỷng )sin()( t m F VC AE VC F t d dt =+ Khi bióỳt luỏỷt thay õọứi dióỷn tờch thu nng F t (), coù thóứ giaới phổồng trỗnh vi phỏn vồùi õióửu kióỷn õỏửu t( = 0) = t f õóứ tỗm haỡm bióỳn õọứi t() cuớa nhióỷt õọỹ vỏỷt theo thồỡi gian. 2.5. Đo cờng độ bức xạ mặt trời. Ngoài phơng pháp xác định cờng độ bức xạ mặt trời tại một điểm bất kỳ dựa trên vị trí địa lý (độ cao mặt trời trời) nh trên, trong thực tế ngời ta đã chế tạo các dụng cụ đo cờng độ bức xạ mặt trời (pyrheliometer, actinometer - đo bức trực xạ, và pyranometer, Solarimeter- đo tổng xạ ). Trực xạ kế - Pyrheliometer Nhật xạ kế - P y ranomete r Đầu đo - Sensor 24 Chơng 2. định luật nhiệt động I 2.1. phát biểu định luật nhiệt động I Định luật nhiệt động I là định luật bảo toàn và biến hoá năng lợng viết cho các quá trình nhiệt động. Theo định luật bảo toàn và biến hoá năng lợng thì năng lợng toàn phần của một vật hay một hệ ở cuối quá trình luôn luôn bằng tổng đại số năng lợng toàn phần ở đầu quá trình và toàn bộ năng lợng nhận vào hay nhả ra trong quá trình đó. Nh đã xét ở mục 1.1.3.2. trong các quá trình nhiệt động, khi không xẩy ra các phản ứng hoá học và phản ứng hạt nhân, nghĩa là năng lợng hoá học và năng lợng hạt nhân không thay đổi, khi đó năng lợng toàn phần của vật chất thay đổi chính là do thay đổi nội năng U, trao đổi nhiệt và công với môi trờng. Xét 1kg môi chất, khi cấp vào một lợng nhiệt dq thì nhiệt độ thay đổi một lợng dT và thể tích riêng thay đổi một lợng dv. Khi nhiệt độ T thay đổi chứng tỏ nội động năng thay đổi; khi thế tích v thay đổi chứng tỏ nội thế năng thay đổi và môi chất thực hiện một công thay đổi thể tích, Nh vậy khi cấp vào một lợng nhiệt dq thì nội năng thay đổi một lợng là du và trao đổi một công là dl. - Định luật nhiệt động I phát biểu: Nhiệt lợng cấp vào cho hệ một phần dùng để thay đổi nội năng, một phần dùng để sinh công: dq = du + dl (2-1) - ý nghĩa của định luật nhiệt động: Định luật nhiệt động I cho phép ta viết phơng trình cân bằng năng lợng cho một quá trình nhiệt động. 2.2. Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động i Định luật nhiệt động I có thể đợc viết dới nhiều dạng khác nhau nh sau: Trong trờng hợp tổng quát: dq = du + dl (2-1) Đối với 1 kg môi chất: q = u + l (2-2) Đối với G kg môi chất: Q = U + L (2-3) Mặt khác theo định nghĩa entanpi, ta có: i = u + pv, Lấy đạo hàm ta đ ợc: di = du + d(pv) hay du = di - pdv - vdp, thay vào (2-1) và chú ý dl = pdv ta có dạng khác của biểu thức định luật nhiệt động I nh sau: dq = di - pdv - vdp + pdv dq = di - vdp (2-4) Hay: dq = di + dl kt (2-5) Đối với khí lý tởng ta luôn có: du = C v dT di = C p dT thay giá trị của du và di vào (2-1) và (2-4) ta có dạng khác của biểu thức định luật nhiệt động I : . R 2 d d d d d Bức xạ mặt trời đến Hệ thống lớp kính Bề mặt hấp thụ Hình 2.13. Quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính 37 Nói khác đi, sẽ có (DA) phần năng lợng bức xạ truyền. đợc của bộ thu Năng lợng bức xạ mặt trời đợc bộ thu hấp thụ gồm 3 thành phần chính: trực xạ, tán xạ, phản xạ của mặt đất. Với bộ thu đặt nghiêng một góc ta có tổng bức xạ mặt trời hấp thụ của. độ bức xạ trực xạ và tán xạ, 010203 040 50 60 70 80 90 0 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0 .4 0.3 0.2 0.1 n ( ) o Số lớp kính 1 2 3 4 (D ) (D) Hình 2. 14. Đờng cong (DA)/(DA) n của bộ thu có 1,2,3 ,4 lớp