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 49 Chơng 4: TíNH TOáN THIếT Bị Sử DụNG năng lợng Mặt trời 4.1. Bếp năng lợng mặt trời 4.1.1. Cấu tạo bếp NLMT Hình 4.1. Cấu tạo bếp nấu NLMT 1- Hộp ngoài 2 - Mặt phản xạ 3- Nồi 4- Nắp kính trong 5- Gơng phẳng phản xạ 6- Bông thủy tinh 7- Đế đặt nồi Bếp NLMT đợc thiết kế nh hình vẽ, hộp ngoài của bếp đợc làm bằng khung gỗ hình khối hộp chữ nhật bên ngoài đóng 1 lớp ván ép, phía trong là mặt nhôm đợc đánh bóng để phản xạ, biên dạng của mặt phản xạ đợc thiết kế là mặt kết hợp của các parabol tròn xoay (hình 4.1) sao cho nồi nấu có thể nhận đợc chùm tia trực xạ của ánh sáng mặt trời và chùm phản xạ từ gơng phẳng khi đặt cố định, gơng phản xạ có thể gấp lại khi không dùng, giữa mặt phản xạ và hộp ngoài là lớp bông thủy tinh cách nhiệt, phía trên bếp có một nắp kính nhằm cách nhiệt và tạo hiệu ứng lồng kính. 4.1.2. Tính toán thiết kế bếp Hình 4.2. Kích thớc của bếp 1 2 3 6 7 5 4 70 A H a d2 d1 a h A-A a A 50 Bếp gồm mặt kính nhận nhiệt có đờng kính d 2 , hệ số truyền qua D, gơng phản xạ có hệ số phản xạ R g , mặt phản xạ parabol có hệ số phản xạ R p , nồi nấu làm bằng Inox sơn đen có hệ số hấp thụ , đờng kính d 1 , chiều dày o , khối lợng riêng o , nhiệt dung riêng C, chiều cao h, chứa đầy nớc có nhiệt dung riêng C p , khối lợng riêng n . Do mặt phẳng qũy đạo của mặt trời tại Đà Nẵng và Quảng Nam nghiêng một góc khoảng 20 o so với mặt thắng đứng nên tính toán cho góc tới = 70 o . Cờng độ bức xạ mặt trời lấy trung bình lúc nấu (11h-12h) ở tỉnh Quảng Nam là E = 940W/m 2 . Trong khoảng thời gian bếp sẽ thu từ mặt trời 1 lợng nhiệt bằng Q 1 : Q 1 = .E.sin .F. , [J]. trong đó F = [D.F 1 + R g .D.F 1 + R p .D.F 2 + R p .R g .D.F 2 ] F 1 4 2 1 d , F 2 = 4 2 2 d - F 1 , Lợng nhiệt nhận đợc của bộ thu Q 1 dùng để: - Làm tăng nội năng của nồi U = m o .C.(t s - t o ) - Làm tăng entanpy nớc I m = m n .C P (t s - t o ) - Tổn thất ra môi trờng xung quanh Q 2 trong đó m = d 1 .h. o . o + 2. o . o . 4 2 1 d [kg], m = 4 2 1 d .h. n [kg], Do nồi đợc đặt trên đế có diện tích tiếp xúc nhỏ và có vỏ bọc cách nhiệt bên ngoài nên có thể xem Q 2 0. Vậy ta có phơng trình cân bằng nhiệt cho bếp: Q 1 = m o .C.(t s - t o ) + m n .C P (t s - t o ) Hay: .E.sin. F. =(d 1 .h. o . o + 2. o . o . 4 2 1 d ) C.(t s - t o ) + 4 2 1 d .h. n C P (t s - t o ) Thay các giá trị : E = 940 W/m 2 , = 0,9 , =70 o , D = 0,9, R g =0,9 , R p = 0,9, o =0,001m, o =7850kg/m 3 , t s = 100 o C, t o = 25 o C, C = 460 J/kgđộ, n = 1000kg/m 3 , C p = 4200J/kgđộ , d 1 = 0,25m, h= 0,2m , tính đợc m =1,75kg m n =9,8kg => F. = 3884 hay (1,22d 2 2 +0,08) . = 3884 51 Quan hệ giữa đờng kính mặt nhận nhiệt d 2 và thời gian : d 2 () đợc biểu diễn trên hình 3.3. Từ quan hệ này có thể tính đợc đờng kính mặt thu theo thời gian yêu cầu. Ví dụ: nếu = 1h =3600s thì ta có d 2 = 0,8m, tức là nếu d 2 = 0,8m thì ta có thể đun sôi 9,8 kg nớc trong thời gian 1h. Trong thực tế đã chế tạo bếp nấu có kích thớc nh trên và đã đun sôi 9 lít nớc sau 55 phút. Phơng pháp tính toán trên đã đợc áp dụng để thiết kế, chế tạo các loại bếp với nồi nấu có dung tích từ 2 đến 10 lít để triển khai ứng dụng vào thực tế. 4.1. Bộ thu năng lợng mặt trời để cấp nớc nóng 4.2.1. Bộ thu phẳng 4.2.1.1. Cấu tạo và phân loại bộ thu phẳng 1 2 3 4 5 6 7 8 a b 0 2000 4000 6000 8000 1 10 4 1 2 3 4 5 6 Thời gian [s] Đờng kính mặt thu [m] 5.103076 0.455195 d2 . 110 4100 Hình 4.3. Đồ thị quan hệ d 2 ( ) H ỗnh 4.4. Cỏỳu taỷo Collecto r hỏỳp thuỷ nhióỷt 1- Lồùp caùch nhióỷt, 2- Lồùp õóỷm tỏỳm phuớ trong suọỳt, 3- Tỏỳm phuớ trong suọỳt, 4 - ổồỡng nổồùc noùng ra, 5 - Bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt, 6- Lồùp tọn boỹc, 7- ổồỡng nổồùc laỷnh vaỡo, 8- Khung õồớ Collector 52 Khọng thóứ coù mọỹt kióứu Collector naỡo maỡ hoaỡn haớo vóử moỹi mỷt vaỡ thờch hồỹp cho moỹi õióửu kióỷn, tuy nhión tuỡy theo tổỡng õióửu kióỷn cuỷ thóứ chuùng ta coù thóứ taỷo cho mỗnh mọỹt loaỷi Collector hồỹp lyù nhỏỳt. Trong caùc bọỹ phỏỷn cỏỳu taỷo nón Colletor, bọỹ phỏỷn quan troỹng nhỏỳt vaỡ coù aớnh hổồớng lồùn õóỳn hióỷu quớa sổớ duỷng cuớa Collector laỡ bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt. Sau õỏy laỡ mọỹt sọỳ so saùnh cho vióỷc thióỳt kóỳ vaỡ chóỳ taỷo bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt cuớa Collector maỡ thoớa maợn mọỹt sọỳ chố tióu nhổ: giaù thaỡnh, hióỷu quaớ hỏỳp thuỷ vaỡ mổùc õọỹ thuỏỷn tióỷn trong vióỷc chóỳ taỷo. Sau õỏy laỡ 3 mỏựu Collector coù bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt õồn giaớn, hióỷu quaớ hỏỳp thuỷ cao coù thóứ chóỳ taỷo dóự daỡng ồớ õióửu kióỷn Vióỷt nam. Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt daỷng hỗnh rừn Tỏỳm hỏỳp thuỷ Voỡng dỏy gừn bóử mỷt hỏỳp thuỷ vaỡo tỏỳm hỏỳp thuỷ d Hỗnh 4.5. Bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt daỷng ọỳng hỗnh rừn gừn trón tỏỳm hỏỳp thuỷ Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt daỷng daợy ọỳng Tỏỳm hỏỳp thuỷ Hỗnh 4.6. Daới tỏỳm hỏỳp thuỷ õổồỹc õan xen vaỡo bóử mỷt hỏỳp thuỷ daỷng daợy ọỳng Hai tỏỳm gừn vồùi nhau bũng caùch duỡng ọỳc vờt hay haỡn õờnh Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt daỷng tỏỳm c vờt coù lồùp õóỷm Mọỳi haỡn õờnh Hỗnh 4.7. Bóử mỷt hỏỳp thuỷ daỷng tỏỳm 53 Sau khi thiãút kãú chãú tảo, âo âảc tênh tọan v kiãøm tra so sạnh ta thu âỉåüc bng täøng kãút sau: Loải bãư màût háúp thủ Dảng äúng hçnh ràõn Dảng dy äúng Dảng dy äúng Dảng táúm Cạch gàõn våïi táúm háúp thủ Âan xen vo nhau Dng vng dáy kim loải Âan xen vo nhau Hn âênh Hiãûu sút háúp thủ nhiãût Gim 10% Gim 10% Chøn Bàòng chøn Giạ ca váût liãûu v nàng lỉåüng ctảo Gim 4% Tàng 2% Chøn Tàng 4% Thåìi gian cáưn gia cäng chãú tảo Gim 20% Gim 10% Chùn Tàng 50% Tỉì cạc kãút qu kiãøm tra v so sạnh åí trãn ta cọ thãø rụt ra mäüt säú kãút lûn nhỉ sau: 1- Loải bãư màût háúp thủ dảng dy äúng cọ kãút qu thêch håüp nháút vãư hiãûu sút háúp thủ nhiãût , giạ thnh cng nhỉ cäng v nàng lỉåüng cáưn thiãút cho viãûc chãú tảo. Tuy nhiãn nãúu trong trỉåìng håüp khäng cọ âiãưu kiãûn âãø chãú tảo thç chụng ta cọ thãø chn loải bãư màût háúp thủ dảng hçnh ràõn. Bãư màût háúp thủ dảng táúm cng cọ kãút qu täút nhỉ loải dảng dy äúng nhỉng âi hi nhiãưu cäng v khọ chãú tảo hån. 2- Táúm háúp thủ âỉåü c gàõn vo äúng háúp thủ bàòng cạch âan xen tỉìng dỵi nh l cọ hiãûu qu nháút. Ngoi ra táúm háúp thủ cọ thãø gàõn vo äúng háúp thủ bàòng phỉång phạp hn, våïi phỉång phạp ny thç hiãûu qu háúp thủ cao hån nhỉng máút nhiãưu thåìi gian v giạ thnh cao hån. 4.2.1.2. Tênh toạn bäü thu phàóng Kho sạt panel màût tråìi våïi häüp thu kêch thỉåïc axbxδ, khäúi lỉåüng m o , nhiãût dung riãng C o âỉåüc lm bàòng thẹp dy δ t , bãn trong gäưm cháút lng ténh cọ khäúi lỉåüng m, v lỉu lỉåüng G[kg/s] chy liãn tủc qua häüp. Xung quanh häüp thu bc 1 låïp cạch nhiãût, ta nhiãût ra khäng khê våïi hãû säú α. Phêa trãn màût thu F 1 = ab våïi âäü âen ε l 1 låïp khäng khê v 1 táúm kênh cọ âäü trong D. Chiãưu dy v hãû säú dáùn nhiãût ca cạc låïp ny l δ c , δ k , δ K v λ c , λ k , λ K . Cỉåìng âäü bỉïc xả màût tråìi tåïi màût kênh tải thåìi âiãøm τ l E(τ) = E n sinϕ(τ , våïi ϕ(τ ) = ωτ l gọc nghiãng ca tia nàõng våïi màût kênh, ω = 2π /τ n v τ n = 24 x 3600s l täúc âäü gọc v chu k tỉû quay ca trại âáút, E n l cỉåìng âäü bỉïc xả cỉûc âải trong . 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 năng lợng Mặt trời 4.1. Bếp năng lợng mặt trời 4.1.1. Cấu tạo bếp NLMT Hình 4.1. Cấu tạo bếp nấu NLMT 1- Hộp ngoài 2 - Mặt phản xạ 3- Nồi 4- Nắp kính trong 5- Gơng phẳng phản xạ 6- . 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