31 Trong tênh toạn k thût, cọ thãø coi cỉåìng âäü bỉïc xả tåïi màût âáút l hm ca thåìi gian τ, tênh tỉì lục màût tråìi mc, τ = 0 âãún khi màût tråìi làûn τ =τ n /2, våïi τ n =24h = 24.3600s nhỉ sau: E(τ) = E n .sinϕ(τ) ϕ(τ) = ω.τ l gọc nghiãng tia nàõng so våïi màût âáút, srad n /10.72,7 3600.24 22 5− === π τ π ω l täúc âäü gọc tỉû xoay ca trại âáút, E n [W/m 2 ] l cỉåìng âäü bỉïc xả cỉûc âải trong ngy, láúy trë trung bçnh c nàm theo theo säú liãûu säú liãûu âo lỉåìng thỉûc tãú tải vé âäü cáưn xẹt. 2.3. Bøc x¹ mỈt trêi trun qua kÝnh §é hÊp thơ, trun qua vµ ph¶n x¹ cđa vËt liƯu lµ hµm sè cđa bøc x¹ trun tíi, ®é dµy vµ chØ sè khóc x¹ cđa líp vËt liƯu ®ã. HÇu hÕt c¸c bé thu NLMT ®Ịu sư dơng kÝnh lµm vËt liƯu che phđ bỊ mỈt bé thu v× tÝnh chÊt quang häc −u viƯt cđa nã. 2.3.1. HiƯu øng lång kÝnh Hiãûu ỉïng läưìng kênh l hiãûn tỉåüng têch lu nàng lỉåüng bỉïc xả ca màût tråìi phêa dỉåïi mäüt táúm kênh hồûc mäüt låïp khê no âọ, vê dủ CO 2 hồûc NO x . Gii thêch hiãûu ỉïng läưng kênh nhỉ sau: Táúm kênh hồûc låïp khê cọ âäü trong âån sàõc D λ gim dáưn khi bỉåïc sọng λ tàng. Cn bỉåïc sọng λ m khi E λ cỉûc âải, l bỉåïc sọng mang nhiãưu nàng lỉåüng nháút, thç lải gim theo âënh lût Wien λ = 2,9.10 -3 /T. Bỉïc xả màût tråìi, phạt ra tỉì nhiãût âäü cao T 0 = 5762K, cọ nàng lỉåüng táûp trung quanh sọng λ m0 = 0,5µm, s xun qua kênh hon ton, vç D(λ m0 ) ≈ 1. Bỉïc xả thỉï cáúp, phạt tỉì váût thu cọ nhiãût âäü tháúp, khong T ≤ 400K, cọ nàng lỉåüng táûp trung quanh sọng λ m = 8µm, háưu nhỉ khäng xun qua kênh, vç D(λ m ) E λ (µm) λ λ mo = 0,5 λ m = 8 λ D 0 0 1 To T Hinh 2.9. Hiãûu ỉïng läìng kênh. 32 0, vaỡ bở phaớn xaỷ laỷi mỷt thu. Hióỷu sọỳ nng lổồỹng (vaỡo - ra) > 0, õổồỹc tờch luyợ phờa dổồùi tỏỳm kờnh, laỡm nhióỷt õọỹ taỷi õoù tng lón. 2.3.2. Sự phản xạ của bức xạ mặt trời Đối với các bề mặt nhẵn, biểu thức Fresnel của độ phản xạ bức xạ qua môi trờng thứ nhất có độ khúc xạ (chiết suất) n 1 đến môi trờng thứ 2 có chiết suất n 2 là: () () 12 2 12 2 sin sin + = r đối với thành phần vuông góc. r // = () () 12 2 12 2 + tg tg đối với thành phần song song của bức xạ . r = i r E E = 2 // rr + là độ phản xạ trung bình của hai thành phần song song và vuông góc. E i , E r , tơng ứng là cờng độ bức xạ tới, cờng độ bức xạ phản xạ. Các góc 1 và 2 là góc tới và góc khúc xạ (hình 2.10) có quan hệ với độ khúc xạ n theo định luật Snell: 1 2 2 1 sin sin = n n Nh vậy nếu biết các đại lợng góc 1 , 2 , và chiết suất các môi trờng n 1 , n 2 ta có thể xác định đợc độ phản xạ r của bề mặt. Đối với tia bức xạ tới vuông góc 1 2 n 1 n 2 môi truờng 1 môi truờng 2 E i r E d E Hình 2.10. Quá trình truyền của tia bức xạ. 33 1 , 2 = 0 và các phơng trình trên có thể kết hợp: () 2 21 21 0 + == nn nn E E r i r Nếu một môi trờng là không khí (chiết suất n 2 1) thì: () 2 1 1 0 1 1 + == n n E E r i r Đối với các loại bộ thu NLMT, thờng sử dụng kính hoặc vật liệu màng mỏng trong suốt phủ trên bề mặt hấp thụ nhiệt bức xạ, vì vậy luôn có 2 bề mặt ngăn cách của mỗi lớp vật liệu phủ gây ra tổn thất phản xạ. Nếu bỏ qua nhiệt lợng hấp thụ của lớp vật liệu này và xét tại thời điểm mà chỉ có thành phần vuông góc của bức xạ tới (hình 2.11), thì đại lợng (1 - r ) của tia bức xạ tới sẽ tới đợc bề mặt thứ 2, trong đó (1 - r ) 2 đi qua bề mặt phân cách và r (1 - r ) bị phản xạ trở lại bề mặt phân cách thứ nhất v.v Cộng tất cả các thành phần đợc truyền qua thì hệ số truyền qua của thành phần vuông góc: () ( ) + = == r r r r rrd n 1 1 1 1 1 2 22 Đối với thành phần song song cũng có kết quả tơng tự và hệ số truyền qua trung bình của cả hai thành phần: + + + = r r r r d r 1 1 1 1 2 1 Nếu bộ thu có N lớp vật liệu phủ trong suốt nh nhau thì: () () + + + = rN r rN r d rN 121 1 121 1 2 1 1 r (1-r) r 2 (1-r) r 2 2 (1-r) (1-r) r 2 (1-r) r 24 ( 1 - r ) r 2 2 ( 1 - r ) r ( 1 - r ) 3 3 ( 1 - r ) r ( 1 - r ) r 4 Hình 2.11. Quá trình truyền của tia bức xạ qua lớp phủ không hấp thụ. 34 2.3.3. Tổn thất do hấp thụ bức xạ của kính Sự hấp thụ bức xạ trong vật liệu không trong suốt đợc xác định bởi định luật Bougure dựa trên giả thiết là bức xạ bị hấp thụ tỷ lệ với cờng độ bức xạ qua vật liệu và khoảng cách x mà bức xạ đi qua: dE = - EKdx với K là hằng số tỷ lệ. Lấy tích phân dọc theo đờng đi của tia bức xạ trong vật liệu từ 0 đến /cos 2 (với là chiều dày của lớp vật liệu) ta có hệ số truyền qua của vật liệu khi có hấp thụ bức xạ: D a = i d E E = exp 2 cos K Trong đó, E d là cờng độ bức xạ truyền qua lớp vật liệu. Đối với kính: K có trị số xấp xỉ 4m -1 đối với loại kính có cạnh màu trắng bạc và xấp xỉ 32m -1 đối với loại kính có cạnh màu xanh lục. 2.3.4. Hệ số truyền qua và hệ số phản xạ của kính Hệ số truyền qua, hệ số phản xạ và hệ số hấp thụ của một lớp vật liệu có thể đợc xác định nh sau : Đối với thành phần vuông góc của bức xạ: () () () + = = 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 a a a a Dr r r r D Dr rD D () () () += += DDr Dr rDr rR a a a .1 .1 .1 2 22 () = a a Dr r DA .1 1 1 Thành phần song song của bức xạ cũng đợc xác định bằng các biểu thức tơng tự. Đối với bức xạ tới không phân cực, các tính chất quang học đợc xác định bằng trung bình cộng của hai thành phần này. Đối với các bộ thu NLMT thực tế, D a thờng lớn hơn 0,9 và r 0,1. Vì vậy từ phơng trình trên ta có giá trị D 1 (tơng tự D // 1). 2.3.5. Hệ số truyền qua đối với bức xạ khuếch tán Do bức xạ khuếch tán là vô hớng nên về nguyên tắc lợng bức xạ này truyền qua kính có thể đợc xác định bằng cách tích phân dòng bức xạ theo tất cả các góc tới. Tuy nhiên do sự phân bố góc của bức xạ khuếch tán nói chung 35 không thể xác định đựơc nên khó xác định biểu thức tích phân này. Nếu bức xạ khuếch tán đến không phụ thuộc góc tới thì có thể tính toán đơn giản hóa bằng cách định nghĩa một góc tơng đơng đối với bức xạ có cùng hệ số truyền qua nh tán xạ. Đối với một khoảng khá rộng các điều kiện tính toán thì góc tơng đơng này là 60 0 . Nói cách khác, trực xạ với góc tới 60 0 có cùng hệ số truyền qua nh bức xạ khuếch tán đẳng hớng. Hình 2.12 là quan hệ giữa góc tới hiệu quả của bức xạ tán xạ đẳng hớng và bức xạ phản xạ từ mặt đất với các góc nghiêng khác nhau của bộ thu. Có thể xác định gần đúng quan hệ này bằng biểu thức toán học sau: - Đối với bức xạ phản xạ từ mặt đất: hq = 90 - 0,5788 + 0,002693 2 - Đối với bức xạ khuếch tán: hq = 59,7 - 0,1388 + 0,001497 2 55 60 65 70 75 80 85 90 Bức xạ phản xạ từ mặt đất Bức xạ khuếch tán từ bầu trời hq Góc tới hiệu quả, Hình 2.12. Góc tới hiệu quả của tán xạ đẳng hớng và bức xạ phản xạ từ mặt đất trên mặt phẳng nghiêng. 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 : . ) [] () = == 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. bức xạ tới vuông góc 1 2 n 1 n 2 môi truờng 1 môi truờng 2 E i r E d E Hình 2. 10. Quá trình truyền của tia bức xạ. 33 1 , 2 = 0 và các phơng trình trên có thể kết hợp: () 2 21 21 0 + == nn nn E E r i r . chiết suất n 2 là: () () 12 2 12 2 sin sin + = r đối với thành phần vuông góc. r // = () () 12 2 12 2 + tg tg đối với thành phần song song của bức xạ . r = i r E E = 2 // rr +