Bài giảng sử dụng năng lượng tái tạo - chương 1b

Bài giảng sử dụng năng lượng tái tạo - chương 1b

1.3 THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.3.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rấtsớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thìmới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượngmặt trời, những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm

1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp pháttriển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT Các ứng dụng NLMTphổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

 Pin mÆt trêi

Hình 1.23 Hệ thống pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điệntrực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổiquang điện Pin mặt trời có ưu điểm làgọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sángmặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũtrụ ứng dụng NLMT dưới dạng nàyđược phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là

ở các nước phát triển Ngày nay con người

đã ứng dụng pin NLMT để chạy xe thaythế dần nguồn năng lượng truyền thống.Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời cònkhá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/

WP, nên ở những nước đang phát triển pinmặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất

là cung cấp năng lượng điện sử dụng chocác vùng sâu, vùng xa nơi mà đường điệnquốc gia chưa có

27

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thànhcông việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầusinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằngsông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn làmón hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta.

Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt

độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chấtlàm việc truyền động cho máy phát điện

Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây:

- Hệ thống dùng parabol trụ để tập

trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi

chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu,

nhiệt độ có thể đạt tới 400oC

- Hệ thống nhận nhiệt trung tâm

bằng cách sử dụng các gương phản xạ có

định vị theo phương mặt trời để tập trung

NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao,

nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500oC

- Hệ thống sử dụng gương parabol

tròn xoay định vị theo phương mặt trời để

tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu

điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên

1500oC

Hiện nay người ta còn dùng năng

lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “tháp

năng lượng mặt trời - Solar Power

Tower“ Australia đang tiến hành dự án

xây dựng một tháp năng lượng mặt trời

cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổng

công suất 200 MW Dự tính đến năm 2008

tháp năng lượng mặt trời này sẽ cung cấp

điện mỗi năm 650GWh cho 200.000 hộ gia

đình ở miền tây nam New South Wales

-Australia, và sẽ giảm được 700.000 tấn khí

gây hiệu ứng nhà kính trong mỗi năm

 Thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời

Hình 1.24 Nhà máy điện mặt trời

Hình 1.25 Tháp năng lượng mặt

trời

29

Hình 1.26 Thiết bị sấy bằng NLMT

Hiện nay NLMT được ứng dụng kháphổ biến trong lĩnh nông nghiệp đểsấy các sản phẩm như ngũ cốc, thựcphẩm, rau quả nhằm giảm tỷ lệ haohụt và tăng chất lượng sản phẩm.Ngoài mục đích để sấy các loại nôngsản, NLMT còn được dùng để sấy cácloại vật liệu như gỗ

 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMTnhư ở Châu Phi

H×nh 1.27 TriÓn khai bÕp nÊu c¬m b»ng NLMT.

Ở Việt Nam việc ứng dụngbếp năng lượng mặt trời cũng

đã được nghiên cứu và triểnkhai ở một số nơi

Năm 2000, Trung tâmNghiên cứu thiết bị áp lực

và năng lượng mới - Đạihọc Đà Nẵng đã phối hợpvới các tổ chức từ thiện HàLan triển khai dự án (30 000USD) đưa bếp năng lượngmặt trời - bếp tiện lợi (BTL)vào sử dụng ở các vùng nôngthôn của tỉnh Quảng Nam,

Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng đựơc đông đảo nhân dân ủng

hộ Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xãhuyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ngư dân ven biển để họ có thểnấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT

 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Thiết bị chưng cất nướcthường có 2 loại: loại nắp kínhphẳng có chi phí cao (khoảng

23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30năm, và loại nắp plastic có chi phí

rẻ hơn nhưng hiệu quả chưngcất kém hơn

Ở Việt Nam đã có đề tàinghiên cứu triển khai ứng dụngthiết bị chưng cất nước dùngNLMT để chưng cất nước ngọt từnước biển và cung cấp nướcsạch dùng cho sinh hoạt ởnhững vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bịchưng cất

NLMT có gương phản xạ tại một số tỉnh phía Nam và ở hải đảo

H×nh 1.28 ThiÕt bÞ ch ng cÊt n íc −ng cÊt n−íc −ng cÊt n−íc

dïng NLMT

 Động cơ Stirling chạy bằng NLMT

Việc sử dụng NLMT để chạy cácđộng cơ nhiệt - động cơ Stirlingngày càng được nghiên cứu và ứngdụng rộng rãi dùng để bơm nướcsinh hoạt hay tưới cây ở các nôngtrại Ở Việt Nam động cơ Stirlingchạy bằng NLMT cũng đã đượcnghiên cứu chế tạo để triển khaiứng dụng vào thực tế, như động cơStirling cho bơm nước dùng nănglượng mặt trời.

Hình 1.29 Động cơ stirling dùng NLMT

 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT

Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng đểđun nước nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiềunước trên thế giới

Hình 1.30 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT

Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứngdụng rộng rãi ở Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng (hình 1.29) Các hệ thốngnày đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rấtlớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệmôi trường chung của nhân loại

Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng như trênthế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhậnnhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu

sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp hơn nữa

 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMTthì làm lạnh và điều hoà không khí

là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nàokhí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu

về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở nhữngvùng xa xôi héo lánh thuộc các nướcđang phát triển không có lưới điện quốcgia và giá nhiên liệu quá đắt so với thunhập trung bình của người dân Vớicác máy lạnh làm việc trên nguyên lýbiến đổi NLMT thành điện năng nhờpin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiệnnhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao Ngoài racác hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnhhấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuynhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộngrãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống nàychủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộthu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế ở Việt Nam cũng đã có một sốnhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳngmỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thunày có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diệntích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng

1.3.2 Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càngtăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiênnhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếuhụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như nănglượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là mộttrong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không nhữngđối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển

Năng lượng mặt trời (NLMT)- nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đangđược loài người thực sự đặc biệt quan tâm Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quảcác thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế làvấn đề có tính thời sự

Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23”Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng

xạ khá lớn từ 100 - 175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đó việc sử dụngNLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Thiết bị sử dụng năng lượng mặttrời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ

Hình 1.31 Tủ lạnh dùng pin mặt trời

thống nấu cơm có gương phản xạ và đặc biệt là hệ thống cung cấp nước nóng kiểutấm phẳng hay kiểu ống có cánh nhận nhiệt Nhưng nhìn chung các thiết bị này giáthành còn cao, hiệu suất còn thấp nên chưa được người dân sử dụng rộng rãi Hơnnữa, do đặc điểm phân tán và sự phụ thuộc vào các mùa trong năm của NLMT, vídụ: mùa đông thì cần nước nóng nhưng NLMT ít, còn mùa hè không cần nướcnóng thì nhiều NLMT do đó các thiết bị sử dụng NLMT chưa có tính thuyếtphục Sự mâu thuẫn đó đòi hỏi chúng ta cần chuyển hướng nghiên cứu dùngNLMT vào các mục đích khác thiết thực hơn như: chưng cất nước dùngNLMT, dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling), nghiên cứu hệ thốngđiều hòa không khí dùng NLMT Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng NLMT là một đềtài hấp dẫn có tính thời sự đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nướcnghiên cứu, nhưng vấn đề sử dụng bộ thu NLMT nào cho hiệu quả và thực tế nhấtthì vẫn còn là một đề tài cần phải nghiên cứu, vì với các bộ thu kiểu tấm phẳng hiệnnay nếu sử dụng ở nhiệt độ cao 80 - 100oC thì hiệu suất rất thấp (<45%) do đó cần

có một mặt bằng rất lớn để lắp đặt bộ thu cho một hệ thống điều hòa không khí bìnhthường

Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nướcquan tâm Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn, nhưng tỷ trọng năng lượng đượcsản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn.Nguyên nhân chính chưa thể thương mại hóa các thiết bị và công nghệ sử dụngNLMT là do còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết :

- Giá thành thiết bị còn cao: vì hầu hết các nước đang phát triển và kém phát

triển là những nước có tiềm năng rất lớn về NLMT nhưng để nghiên cứu và ứngdụng NLMT lại đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, nhất là để nghiên cứu các thiết bị làmlạnh và điều hòa không khí bằng NLMT cần chi phí quá cao so với thu nhập củangười dân ở các nước nghèo

- Hiệu suất thiết bị còn thấp: nhất là các bộ thu năng lượng mặt trời dùng để

cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao trên 850C thì các bộ thu phẳng đặt

cố định bình thường có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh chưaphù hợp với nhu cầu lắp đặt và thẩm mỹ Các bộ thu có gương parabolic hay mángparabolic trụ phản xạ bình thường thì thu được nhiệt độ cao nhưng vấn đề định

vị hướng hứng nắng theo phương mặt trời rất phức tạp nên không thuận lợi cho việcvận hành

- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế: về mặt lý thuyết, NLMT là một

nguồn năng lượng sạch, rẻ tiền và tiềm tàng, nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang lại lợiích kinh tế và môi trường rất lớn Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tương đối hoànchỉnh Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trìnhlàm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậyrất khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp Đặc biệt là trong kỹ thuật lạnh và điều tiếtkhông khí, vấn đề nghiên cứu đưa ra bộ thu năng lượng mặt trời để cấp nhiệt chochu trình máy lạnh hấp thụ đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nhằmđưa ra bộ thu hoàn thiện và phù hợp nhất để có thể triển khai ứng dụng rộng rãi vàothực tế

30

1.4 TÍNH TOÁN MỘT SỐ THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.4.1 Bộ thu năng lượng mặt trời (collector mặt trời)

1.4.1.1 Nguyên lý chuyển hoá quang nhiệt của collector mặt trời

Các quá trình chuyển hoá quang nhiệt dựa trên một trong hai nguyên lý sau:

* Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính

Bộ phận thu nhiệt có cấu tạo như một chiếc hộp (hình 1.32) gồm tấm che làmbằng vật liệu trong suốt như kính hoặc vật liệu tổng hợp PVC (màng mỏngpolyetilen hoặc nhựa cứng), mặt đáy được làm bằng vật liệu hấp thụ nhiệt, có thể làkim loại sơn đen hoặc vật liệu tương tự có bề mặt đen không bóng Khi có bức xạmặt trời chiếu qua tấm che trong suốt thì phần lớn phổ bức xạ sẽ đi qua tấm che vìcác tia bức xạ mặt trời đi đến bề mặt colector hầu hết có bước sóng ngắn với λ < 3

„m và được hấp thụ bởi bề mặt bôi đen nằm dưới đáy Sau khi bị đốt nóng tấm hấpthụ phát ra các tia bức xạ có bước sóng dài hơn, những tia bức xạ này sẽ bị giữ lạitrong bộ thu nhiệt bởi tấm che theo hiệu ứng lồng kính Nếu không có tấm che thìbức xạ nhiệt sẽ tản ra môi trường và nhiệt độ của mặt hấp thụ sẽ ổn định ở giá trịkhông cao Nhờ có tấm che trong suốt ngăn bức xạ có bước sóng dài nên nhiệt độtrong bộ thu nhiệt tăng dần Nếu tăng số tấm che trong suốt lên 2 đến 3 lần thì nhiệt

độ trong bộ thu nhiệt càng cao

Tấm che

Tấm hấp thụ

Hình 1.32 Sơ đồ nguyên lý bẫy nhiệt.

* Nguyên lý hội tụ bức xạ:

Tất cả các tia tới của bức xạ mặt trời đến một mặt gọi là mặt phản xạ, các tiabức xạ sẽ bị khúc xạ, các tia khúc xạ này sẽ hướng về một điểm hay một đường tuỳthuộc vào cấu tạo của mặt phản xạ, do cường độ tia bức xạ quá lớn ở tại điểm hoặcđường mà tia khúc xạ tới nên làm nóng vật đặt tại đó Dựa trên nguyên lý hội tụ bức

xạ người ta chia làm hai loại:

- Loại hội tụ bức xạ theo điểm là các thiết bị dùng gương cầu lõm có dạngparaboloit tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao, nhờ vậy tập trung ở tiêu điểmnhiệt độ từ vài trăm đến trên 3000 oC

Các tia bức xạ

Lớp cách nhiệt

- Loại hội tụ theo đường là các thiết bị dùng gương hình lòng máng dài, mặtcắt ngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong làm hội tụ bức xạ theo đường tiêu

cự Nếu đặt tại đường tiêu cự một ống dài cho nước đi qua thì nước sẽ được đunnóng lên

Nói chung các thiết bị chuyển hoá quang nhiệt làm việc theo nguyên lý hội tụ ítđược phổ biến do có một số nhược điểm sau:

Mặt phản xạ nhanh bị mờ sau một thời gian làm việc ngoài trời do đó mà hiệusuất giảm nhanh, phải thường xuyên xoay mặt phản xạ theo hướng mặt trời, nếudùng thiết bị tự động thì giá thành sẽ cao mà xoay thủ công cũng không được thuântiện, thiết bị này chỉ thu được phần trực xạ (tia nắng trực tiếp) còn phần tán xạ thìkhông thu được, nếu khi bị mây che khuất thì thiết bị không thu được năng lượng

1.4.1.2 Collector mặt trời để đốt nóng không khí

Hình 1.33 trình bày sơ đồ cấu tạo chung của collector phẳng

Hình 1.33 Sơ đồ cấu tạo của collector phẳng.

Tấm che được làm bằng thuỷ tinh hay bằng vật liệu trong suốt khác Nhiệm vụ

cơ bản của các tấm che là tạo ra hiệu ứng lồng kính để làm giảm bớt tổn thất nănglượng bức xạ từ bề mặt làm việc của colletor ra ngoài môi trường, đồng thời gópphần hạn chế tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu Các tấm che này phải có độ trongsuốt cao để cho các tia bức xạ xuyên qua ở mức tối đa Tuỳ theo mức nhiệt độ làmviệc của ollector mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N Khi nhiệt độ làm việccàng cao thì N càng lớn, giá tri phổ biến của N là từ 1 đến 2 Trong một vài trườnghợp có thể người ta không cần dùng đến tấm che

Bề mặt hấp thụ là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền lại cho môi chấtlàm việc (không khí hoặc chất lỏng) Thông thường bề mặt này được sơn mầu đen

Để gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược

lại từ bề mặt hấp thụ người ta có thể dùng các loại sơn chuyên dụng để tạo nên bề

mặt hấp thụ chọn lọc (selective surface)

32

Lớp cách nhiệt đặt ở mặt dưới của collector để giảm tổn thất nhiệt theo hướngđáy của collector, ngoài ra có thể bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các cạnh bêncủa collector.

So với các loại collector khác thì collector dạng tấm phẳng có một số ưu điểmnhư: có thể hấp thụ tất cả các loại tia bức xạ, không cần quay theo mặt trời, dễ giacông, không cần bảo trì thường xuyên và giá thành khá rẻ

Collector phẳng được chia thành nhiều loại, sau đây là một số loại collectorphẳng sử dụng phổ biến:

- Collector tấm trần:

Hình 1.34 Collector tấm trần

Loại collector tấm trần không cần tấm che, tấm hấp thụ nằm phía trên, dòngkhí chuyển động phía dưới của tấm hấp thụ, tổn thất bức xạ và đối lưu lớn ở trên bềmặt, thích hợp cho việc tăng nhiệt độ khoảng 3 ÷ 5 (oC)

- Collector dòng trên:

Hình 1.35 Collector dòng trên

Collector dòng trên có dòng khí chuyển động giữa tấm hấp thụ và tấm che.Năng lượng hữu ích có giảm chút ít do phản xạ và tính hấp thụ của tấm che Giảmđược mất mát nhiệt đối lưu và bức xạ Nhiệt độ có thể tăng lên 10 ÷ 30oC

Hình 1.36 Collector dòng dưới

.- Collector dòng song song:

Hình 1.37 Collector dòng song song

Đặc điểm của collector dòng song song là dòng khí chuyển động cả bên trên

và bên dưới của tấm hấp thụ Điều đó làm tăng cường bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độtấm hấp thụ thấp, giảm được tổn thất nhiệt do bức xạ Tuy nhiên bề mặt hấp thụ bịlắng bụi

 Collector dạng zic zắc: Cấu tạo của collector dạng này gần giống như

collector phẳng chỉ khác bề mặt hấp thụ có dạng zic zắc Mục đích làm mặt hấp thụ

có dạng zic zắc là để tăng diên tích bề mặt hấp thu nhiệt, đồng thời tăng hiệu suấthấp thụ nhiệt do các tia bức xạ tới được phản xạ và hấp thụ nhiều lần

Hình 1.38 Collector zíc zắc

Hình 1.38 Collecor dạng zic zăc

Để đạt được hiệu suất cao nhất khi sử dụng thiết bị dạng này thì góc nghiêng và kíchthước của tấm hấp thụ là yếu tố được quan tâm nhất khi tính toán thiết kế

34Bức xạ mặt trời

từ mặt thu nhận hội tụ lại tại mặt tiếp nhận này và chuyển thành nhiệt.

Nhìn chung, nhiệt độ làm việc của collector dạng tập trung lớn hơn so với nhiệt

độ làm việc của collector dạng tấm phẳng Vì vậy, người ta thường thay thế collectordạng tấm phẳng bằng collector dạng tập trung khi nhiệt độ làm việc vượt quá 100oC

Về nguyên tắc, collector dạng tập trung cần phải được cho quay theo mặt trời nhằmđảm bảo các tia trực xạ có thể được phản chiếu tốt nhất đến bề mặt tiếp nhận củacollector

Hình 1.39 Collector tập trung

Khi nghiên cứu về collector dạng tập trung này ta cần phải chú ý đến mộtthông số đặc biệt thể hiện tính đặc thù của loại collector nay, đó là tỷ số giữa diêntích bề mặt hứng các tia trực xạ Aa và diện tích bề mặt tiếp nhân Ar, ta gọi đó là tỷ sốtập trung CR (Concentration Ratio)

1.4.1.3 Collector mặt trời để cấp nước nóng

a) Collector phẳng

Hình 1.40 trình bày sơ đồ cấu tạo bộ thu phẳng để đun nước nóng

36

Hình 1.40 Cấu tạo bộ thu phẳng đun nóng nước

1 Lớp cách nhiệt; 2 Lớp đệm tấm phủ trong suốt; 3.Tấm phủtrong suốt; 4 Đường nước nóng ra; 5 Bề mặt hấp thụ nhiệt; 6

Lớp tôn bọc; 7 Đường nước lạnh vào; 8 Khung đỡ

Trong các bộ phận của collector, bộ phận quan trọng nhất và có ảnh hưởng lớnđến hiệu quả sử dụng của collector là bề mặt hấp thụ nhiệt Sau đây là 3 mẫucollector có bề mặt hấp thụ nhiệt đơn giản với hiệu quả hấp thụ cao có thể dễ dàngchế tạo trong điều kiện Việt Nam

Hình 1.41 Các dạng bề mặt hấp thụ của collector đun nóng nước.

- Tấm hấp thụ dạng dãy ống được đan xen vào tấm hấp thụ có hiệu quả caonhất Ngoài ra có thể gắn tấm hấp thụ và ống hấp thụ bằng phương pháp hàn sẽ chohiệu quả hấp thụ cao hơn nhưng tốn thời gian và giá thành chế tạo cao hơn

 Tính toán bộ thu phẳng

Khảo sát panel mặt trời với hộp thu kích thước a  b  , khối lượng m0, nhiệtdung riêng C0, được làm bằng thép dày t, bên trong gồm chất lỏng tĩnh có khốilượng m và lưu lượng G chảy liên tục qua hộp Xung quanh hộp thu bọc một lớpcách nhiệt, hệ số toả nhiệt ra không khí  Phía trên mặt thu F1 = ab với độ đen  làmột lớp không khí và một tấm kính có độ trong D Chiều dày và hệ số dẫn nhiệt củacác lớp này là c, k, K và c, k, K

Cường độ bức xạ mặt trời tới kính tại thời điểm  là E() = Ensin(), với ()

=  là góc nghiêng của tia nắng với mặt kính,  = 2/n và n = 24  3600 (s) làtốc độ góc và chu kỳ tự quay của trái đất, En là cường độ bức xạ cực đại ngày, lấybằng giá trị trung bình trong năm tại vĩ độ đang xét Lúc mặt trời mọc  = 0 Nhiệt

độ đầu của panel và chất lỏng bằng nhiệt độ t0 của không khí ngoài trời

Cần tìm hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trong panel theo thời gian  và tất cảcác thông số đã cho: t = t(, a,b,,t, m0, m, Cp, , G, c, k,K, c, k,K, , t0, , En)

Tấm hấp thụ Dây liên kết

Bề mặt trao đổi nhiệt hình rắn

Bề mặt trao đổi nhiệt dạng dãy ống Tấm hấp thụ

Bề mặt trao đổi nhiệt dạng tấm

a)

b)

c)

38

Các giả thiết khi nghiên cứu:

- Panel được đặt cố định sao cho mặt thu F1 vuông góc với mặt phẳng quỹ đạotrái đất

- Tại mỗi thời điểm , coi nhiệt độ chất lỏng và hộp thu đồng nhất: t()

- Lập phương trình cân bằng nhiệt cho hộp thu:

Khi panel đặt cố định (tĩnh), xét cân bằng nhiệt cho hệ gồm chất lỏng và hộpkim loại trong khoảng thời gian d kể từ thời điểm 

Mặt F1 hấp thụ từ mặt trời một lượng nhiệt bằng:

Q1 = 1DEnsin.F1sin.d

D,   

n