thiết bị nhiệt mặt trời

CHặNG 4 THIT Bậ NHIT MT TRèI Khaùc vồùi pin mỷt trồỡi, thióỳt bở nhióỷt mỷt trồỡi nhỏỷn bổùc xaỷ nhióỷt mỷt trồỡi vaỡ tờch trổợ nng lổồỹng dổồùi daỷng nhióỷt nng. Thióỳt bở nhióỷt mỷt trồỡi coù rỏỳt nhióửu loaỷi khaùc nhau tuyỡ thuọỹc vaỡo muỷc õờch sổớ duỷng cuớa chuùng. 55 4.1. C S LYẽ THUYT TấNH TOẽAN THIT Bậ 4.1.1. Caùc õởnh luỏỷt cồ baớn vóử bổùc xaỷ 4.1.1.1. ởnh luỏỷt Planck ởnh luỏỷt Planck thióỳt lỏỷp mọỳi quan hóỷ giổợa nng suỏỳt bổùc xaỷ õồn sừc cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi vồùi bổồùc soùng vaỡ vồùi nhióỷt õọỹ cuớa vỏỷt. 1e. C E T C 5 1 o 2 = (4.1) trong õoù C 1 , C 2 [m.K] - caùc hũng sọỳ Planck: C 1 = 0,374.10 -15 W.m 2 ; C 2 = 1,439.10 -2 m.K , [m] - chióửu daỡi bổồùc soùng, T, [K] - nhióỷt õọỹ tuyóỷt õọỳi, Tổỡ bióứu thổùc trón ta coù thóứ thióỳt lỏỷp õọử thở quan hóỷ E 0 = f() ồớ caùc nhióỷt õọỹ khaùc nhau. Caùc õọử thở naỡy coù õỷc õióứm chung laỡ haỡm E 0 õaỷt cổỷc õaỷi ồớ mọỹt giaù trở max naỡo õoù. Giaù trở max coù thóứ xaùc õởnh khi lỏỳy õaỷo haỡm bióứu thổùc tờnh E 0 theo . 01 T 5 C e E max 2 T.max 2C 0 = += (4.2) Giaới ra ta coù: max .T = 2,898.10 -3 m.K (4.3) 56 0 à 2 8 6104 m 30 20 10 E 0 .10 W/m -6 T =1200K T =1200K T =1200K 3 Hỗnh 4.1. Haỡm phỏn bọỳ E o theo vaỡ T m T =900K T =600K 4.1.1.2. ởnh luỏỷt dởch chuyóứn Wien Khi vỏỷt nhióỷt õọỹ T coù cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ lồùn nhỏỳt thỗ soùng max seợ quan hóỷ vồùi nhióỷt õọỹ theo bióứu thổùc: max .T = 2,898.10 -3 m.K Vỏỷy khi nhióỷt õọỹ T caỡng lồùn thỗ max caỡng nhoớ. E o max max E o Hỗnh 4.2. ởnh luỏỷt dởch chuyóứn Wien. T 3 T 2 T 1 57 4.1.1.3. ởnh luỏỷt Stephan-Boltzmann ởnh luỏỷt Stephan-Boltzmann thióỳt lỏỷp mọỳi quan hóỷ giổợa nng suỏỳt bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi vồùi nhióỷt õọỹ. Nng suỏỳt bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi tyớ lóỷ vồùi nhióỷt õọỹ tuyóỷt õọỳi muợ 4. = = 0 oo d.EE (4.4) hay : E o = 0 . T 4 , [W/m 2 ] (4.5) hay : 4 oo 100 T .CE = , [W/m 2 ] (4.6) trong õoù : 0 = 5,67.10 -8 W/m 2 .K 4 - hũng sọỳ bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi, C 0 = 10 8 . 0 = 5,67, W/m 2 .K 4 - hóỷ sọỳ bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi, ởnh luỏỷt Stephan-Bolzman coù thóứ sổớ duỷng cho vỏỷt xaùm (A1). 4 100 T .CE = , [W/m 2 ] (4.7) vồùi C, [W/m 2 .K 4 ]- hóỷ sọỳ bổùc xaỷ cuớa vỏỷt xaùm Tổỡ caùcbióứu thổùc trón vaỡ nóỳu õỷt == Oo C C E E goỹi laỡ õọỹ õen cuớa vỏỷt khi õoù : 4 100 = T CE o (4.8) 4.1.1.4. ởnh luỏỷt Kirchoff ởnh luỏỷt Kirchoff thióỳt lỏỷp mọỳi quan hóỷ giổợa nng suỏỳt bổùc xaỷ rióng cuớa mọỹt vỏỷt vồùi nng suỏỳt bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi A o = 1. traỷng thaùi cỏn bũng vóử nhióỷt, thỗ tyớ sọỳ giổợa nng suỏỳt bổùc xaỷ vaỡ hóỷ sọỳ hỏỳp thuỷ cuớa bỏỳt kyỡ vỏỷt thóứ naỡo cuợng nng suỏỳt bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi ồớ cuỡng nhióỷt õọỹ vaỡ cuợng chố phuỷ thuọỹc vaỡo nhióỷt õọỹ. 58 Giaớ sổớ coù n vỏỷt coù nng suỏỳt bổùc xaỷ laỡ E 1 , E 2 , . . ., E n vaỡ caùc hóỷ sọỳ hỏỳp thuỷ lỏửn lổồỹt laỡ A 1 , A 2 , . . .,A n . Caùc vỏỷt naỡy coù nhióỷt õọỹ nhổ nhau, theo õởnh luỏỷt Kirchoff ta coù: )( . 0 2 2 1 1 TfE A E A E A E n n ===== (4.9) E o - Nng suỏỳt bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi coù cuỡng nhióỷt õọỹ. Tổỡ bióứu thổùc õởnh luỏỷt Kirchoff suy ra: E = E o .A Hay A = (4.10) 4.1.2. Lyù thuyóỳt vóử bọỹ thu kióứu lọửng kờnh Hỏửu hóỳt caùc bọỹ thu NLMT õóửu sổớ duỷng kờnh laỡm vỏỷt lióỷu che phuớ bóử mỷt bọỹ thu vỗ tờnh chỏỳt quang hoỹc ổu vióỷt cuớa noù. 4.1.2.1. Hióỷu ổùng lọửng kờnh Hióỷu ổùng lọửỡng kờnh laỡ hióỷn tổồỹng tờch luyợ nng lổồỹng bổùc xaỷ cuớa mỷt trồỡi phờa dổồùi mọỹt tỏỳm kờnh hoỷc mọỹt lồùp khờ naỡo õoù, vờ duỷ CO 2 hoỷc NO x . Coù thóứ giaới thờch hióỷu ổùng lọửng kờnh nhổ sau: Tỏỳm kờnh hoỷc lồùp khờ coù õọỹ trong õồn sừc D giaớm dỏửn khi bổồùc soùng tng. Coỡn bổồùc soùng m khi E cổỷc õaỷi, laỡ bổồùc soùng mang nhióửu nng lổồỹng nhỏỳt, thỗ laỷi giaớm theo õởnh luỏỷt Wien = 2,9.10 -3 /T. Bổùc xaỷ mỷt trồỡi, phaùt ra tổỡ nguọửn nhióỷt õọỹ cao T 0 = 5762K, coù nng lổồỹng tỏỷp trung quanh soùng m0 = 0,5àm, seợ xuyón qua kờnh E (à m) mo = 0,5 m = 8 D 0 0 1 To T Hinh 4.3. Hióỷu ổùng lọửng kờnh. 59 hoaỡn toaỡn, vỗ D( m0 ) 1. Bổùc xaỷ thổù cỏỳp, phaùt ra tổỡ vỏỷt thu coù nhióỷt õọỹ thỏỳp, khoaớng T 400K, coù nng lổồỹng tỏỷp trung quanh soùng m = 8àm, hỏửu nhổ khọng xuyón qua kờnh, vỗ D( m ) 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. 4.1.2.2. Mọ taớ chung vóử bọỹ thu kióứu lọửng kờnh Bọỹ thu kióứu lọửng kờnh duỡng õóứ gia nhióỷt cho chỏỳt loớng õổồỹc mọ taớ trón hỗnh 4.4: Nng lổồỹng bổùc xaỷ mỷt trồỡi chióỳu õóỳn bọỹ thu sau khi truyóửn qua 2 lồùp kờnh 1 vaỡ 3 thỗ õổồỹc hỏỳp thuỷ bồới tỏỳm hỏỳp thuỷ sồn maỡu õen 2, lổồỹng nhióỷt õổồỹc hỏỳp thuỷ seợ truyóửn cho mọi chỏỳt loớng chổùa trong ọỳng dỏựn 5. Bọỹ thu õổồỹc boỹc bồới lồùp baớo vóỷ 6 vaỡ lồùp caùch nhióỷt 4 õóứ traùnh thỏ ỳt thoaùt nhióỷt ra mọi trổồỡng xung quanh. 213 5 4 6 Hỗnh 4.4. Mỷt cừt bọỹ thu nng lổồỹng Mỷt trồỡi kióứu lọửng kờnh gọửm 2 lồùp kờnh duỡng õóứ gia nhióỷt cho mọi chỏỳt loớng. Trón hỗnh 4.4 mọ taớ mọỹt bọỹ thu kióứu lọửng kờnh gọửm 2 lồùp kờnh duỡng õóứ gia nhióỷt cho mọi chỏỳt loớng vồùi bóử mỷt hỏỳp thuỷ daỷng ọỳng - tỏỳm caùnh. Coỡn loaỷi bọỹ thu õóứ gia nhióỷt cho mọi chỏỳt laỡ khọng khờ vóử cồ baớn coù cỏỳu taỷo giọỳng nhổ loaỷi bọỹ thu gia nhióỷt trón, nhổng caùc ọỳng dỏựn chỏỳt loớng õổồỹc thay thóỳ bũng ọỳng dỏựn khọng khờ coù kờch thổồùc lồùn hồn. 60 Phổồng phaùp tờnh toaùn cuợng tổồng tổỷ nhổ tờnh toaùn bọỹ thu gia nhióỷt cho chỏỳt loớng. 4.1.2.3. Phổồng trỗnh cỏn bũng nng lổồỹng cuớa bọỹ thu kióứu lọửng kờnh. traỷng thaùi ọứn õởnh, hoaỷt õọỹng cuớa bọỹ thu NLMT õổồỹc mọ taớ bũng phổồng trỗnh cỏn bũng nng lổồỹng gọửm caùc thaỡnh phỏửn: nng lổồỹng hổợu ờch, tọứn thỏỳt nhióỷt, vaỡ tọứn thỏỳt quang hoỹc. Bổùc xaỷ mỷt trồỡi do bọỹ thu hỏỳp thuỷ trón mọỹt õồn vở dióỷn tờch bóử mỷt bọỹ thu phúng bũng hióỷu sọỳ giổợa bổùc xaỷ mỷt trồỡi truyóửn tồùi vaỡ caùc tọứn thỏỳt quang hoỹc. () () ()() ++ + += 2 cos1 2 cos1 g dbd d d b bb DAEERDAEDABES (4.11) Tọứn thỏỳt nhióỷt tổỡ bọỹ thu õóỳn mọi trổồỡng xung quanh do dỏựn nhióỷt, õọỳi lổu vaỡ bổùc xaỷ coù thóứ õổồỹc bióứu dióựn nhổ laỡ tờch sọỳ cuớa hóỷ sọỳ tọứn thỏỳt nhióỷt K vaỡ õọỹ chónh lóỷch nhióỷt õọỹ trung bỗnh cuớa tỏỳm hỏỳp thuỷ T tb vồùi nhióỷt õọỹ mọi trổồỡng T a . traỷng thaùi ọứn õởnh, nng lổồỹng hổợu ờch cuớa bọỹ thu coù dióỷn tờch F laỡ hióỷu sọỳ giổợa bổùc xaỷ mỷt trồỡi hỏỳp thuỷ õổồỹc vaỡ tọứn thỏỳt nhióỷt: ( ) [ ] atbhi TTKSFQ = (4.12) ỏy laỡ phổồng trỗnh nng lổồỹng cồ baớn cuớa bọỹ thu kióứu lọửng kờnh. óứ xaùc õởnh nng lổồỹng hổợu ờch, ngoaỡi caùc õaỷi lổồỹng coù thóứ xaùc õởnh trổỷc tióỳp nhổ F, ta cỏửn phaới xaùc õởnh S, K vaỡ T tb . Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ mỷt trồỡi S coù thóứ tờnh toaùn bũng lyù thuyóỳt theo phổồng trỗnh trón hoỷc õo thổỷc nghióỷm bũng bổùc xaỷ kóỳ mỷt trồỡi. Hóỷ sọỳ tọứn thỏỳt nhióỷt K cuợng coù thóứ xaùc õởnh bũng lyù thuyóỳt truyóửn nhióỷt hay bũng thổỷc nghióỷm. Coỡn nhióỷt õọỹ trung bỗnh cuớa tỏỳm hỏỳp thuỷ T tb khoù tờnh toaùn hoỷc khoù õo õổồỹc, vỗ noù cuợng laỡ haỡm sọỳ cuớa caùc thọng sọỳ kóỳt cỏỳu bọỹ thu, bổùc xaỷ truyóửn tồùi vaỡ thọng sọỳ vỏỷt lyù cuớa chỏỳt loớng õi vaỡo bọỹ thu. óứ õaùnh giaù khaớ nng hỏỳp thuỷ NLMT cuớa bọỹ thu ngổồỡi ta dổỷa vaỡo hióỷu suỏỳt cuớa noù. Hióỷu suỏỳt cuớa bọỹ thu õổồỹc õởnh nghộa laỡ tyớ sọỳ 61 giổợa nng lổồỹng hổợu ờch truyóửn cho mọi chỏỳt vaỡ NLMT tồùi bọỹ thu trong cuỡng mọỹt khoaớng thồỡi gian: = dtEF dtQ n hi (4.13 ) Hóỷ sọỳ tọứn thỏỳt nhióỷt K cuớa bọỹ thu Vióỷc phỏn tờch tọứn thỏỳt nhióỷt õọỳi vồùi bọỹ thu kióứu lọửng kờnh coù yù nghộa quan troỹng trong vióỷc tờnh toaùn thióỳt kóỳ bọỹ thu. Coù thóứ bióứu dióựn tọứn thỏỳt nhióỷt cuớa bọỹ thu kióứu lọửng kờnh coù hai lồùp kờnh nhổ sồ õọử hỗnh 4.5a. Taỷi mọỹt vở trờ nhỏỳt õởnh trón tỏỳm phúng hỏỳp thuỷ coù nhióỷt õọỹ laỡ T p , nguọửn NLMT, S õổồỹc bọỹ thu hỏỳp thuỷ vaỡ phỏn bọỳ thaỡnh caùc thaỡnh Ta 1 c 2 -a 1 c 2 -a bx bx 1 c 1 -c 2 1 T c 2 T c 1 c 1 -c 2 bx p-c 1 1 p-c 1 1 S Q hi T p T b b-a bx 1 b-a 1 T a Ta T a T c 2 T c 1 T p T b S Q hi R 2 R 3 R 4 R 5 R 1 a) b) Hỗnh 4.5. Sồ õọử maỷng nhióỷt cuớa bọỹ thu kióứu lọửng kờnh vồùi 2 lồùp kờnh. 62 phỏửn sau: nng lổồỹng hổợu ờch Q hi , tọứn thỏỳt nhióỷt qua caùc lồùp kờnh ngn vaỡ qua õaùy bọỹ thu. Ta coù thóứ bióứu dióựn sồ õọử naỡy mọỹt caùch õồn giaớn hồn hỗnh 4.5b hay sồ õọử tổồng õổồng hỗnh 4.6. Tọứn thỏỳt nhióỷt qua caùc lồùp kờnh laỡ tọứng cuớa trao õọứi nhióỷt õọỳi lổu vaỡ trao õọứi nhióỷt bổùc xaỷ giổợa caùc bóử mỷt song song. ồớ traỷng thaùi ọứn õởnh thỗ nng lổồỹng trao õọứi giổợa tỏỳm hỏỳp thuỷ cuớa bọỹ thu coù nhióỷt õọỹ T p vaỡ lồùp kờnh thổù nhỏỳt coù nhióỷt õọỹ T c1 õuùng bũng lổồỹng nhióỷt trao õọứi giổợa caùc lồùp kờnh kóỳ tióỳp vaỡ cuợng bũng lổồỹng nhióỷt trao õọứi giổợa lồùp kờnh ngoaỡi cuỡng vồùi mọi trổồỡng xung quanh. Vaỡ nhổ vỏỷy tọứn thỏỳt nhióỷt qua kờnh (trón mọỹt õồn vở dióỷn tờch) õuùng bũng lổồỹng nhióỷt truyóửn tổỡ tỏỳm hỏỳp thuỷ õóỳn bóử mỷt kờnh thổù nhỏỳt: () ( ) 1 11 1 4 1 4 11. + += cp cp cpcptrt TT TTq (4.14 ) Trong õoù p , c1 laỡ õọỹ õen cuớa tỏỳm hỏỳp thuỷ vaỡ cuớa lồùp kờnh thổù nhỏỳt, p-c1 laỡ hóỷ sọỳ truyóửn nhióỷt õọỳi lổu giổợa 2 tỏỳm phúng nghióng song song (tỏỳm hỏỳp thuỷ vaỡ kờnh), nóỳu goỹi bx p-c1 laỡ hóỷ sọỳ trao õọứi nhióỷt bổùc xaỷ giổợa tỏỳm hỏỳp thuỷ vaỡ kờnh thỗ ta seợ coù: ( ) ( ) 1 1 1. cp cp bx cptrtt TTq += (4.15 ) Với ( ) ( ) 1 11 1 2 1 2 1 1 + ++ = cp cpcp cp bx TTTT Nhiệt trở R 3 sẽ là: 1 Ta T p S Q hi K tt Hỗnh 4.6. Sồ õọử maỷng nhióỷt tổồng õổồng cuớa bọỹ thu 63 bx cpcp R 11 3 1 + = (4.16 ) R 3 laỡ nhióỷt trồớ truyóửn nhióỷt giổợa tỏỳm hỏỳp thuỷ vaỡ kờnh. Cuợng tổồng tổỷ ta coù bióứu thổùc tờnh cho nhióỷt trồớ gổợa 2 tỏỳm kờnh R 2 . Theo nguyón lyù chung thỗ chuùng ta coù thóứ lừp caỡng nhióửu tỏỳm kờnh che thỗ nhióỷt trồớ caỡng lồùn, nhổng trong thổỷc tóỳ caùc bọỹ thu thổồỡng õổồỹc giồùi haỷn nhióửu nhỏỳt laỡ õóỳn 2 lồùp kờnh. Nhióỷt trồớ R1 giổợa bóử mỷt kờnh vồùi mọi trổồỡng xung quanh coù daỷng tổồng tổỷ nhổ bióứu thổùc trón nhổng hóỷ sọỳ truyóửn nhióỷt õọỳi lổu tổỡ bóử mỷt kờnh õóỳn mọi trổồỡng xung quanh w , lỏỳy giaù trở bũng 5 - 10 W/m 2 K (coi tọỳc õọỹ gioù trung bỗnh khoaớng 5m/s). Nhióỷt trồớ bổùc xaỷ tổỡ mỷt kờnh õổồỹc tờnh toaùn theo nhióỷt õọỹ bổùc xaỷ cuớa bỏửu trồỡi T s , nhổng õóứ tióỷn cho tờnh toaùn ta coù thóứ tham khaớo giaù trở cuớa nhióỷt trồớ naỡy theo nhióỷt õọỹ mọi trổồỡng xung quanh laỡ T a , do õoù bx c2-a coù thóứ vióỳt laỡ: ( ) ( ) ( ) ac scscsc cac TT TTTTTT = 2 2 22 22 22 (4.17 ) Vaỡ nhióỷt trồớ R 1 seợ laỡ : ac bx w R + = 2 1 1 (4.18 ) Vỏỷy hóỷ sọỳ tọứn thỏỳt qua caùc lồùp kờnh tổỡ tỏỳm hỏỳp thuỷ cuớa bọỹ thu ra mọi trổồỡng xung quanh laỡ : 321 . 1 RRR K trtt ++ = (4.19 ) óứ xaùc õởnh giaù trở cuớa K tt.tr õỏửu tión ta cỏửn giaớ õởnh nhióỷt õọỹ cuớa caùc lồùp kờnh, ta tờnh õổồỹc caùc hóỷ sọỳ truyóửn nhióỷt bũng õọỳi lổu vaỡ bổùc xaỷ giổợa caùc bóử mỷt song song, theo cọng thổùc trón ta xaùc õởnh õổồỹc hóỷ sọỳ tọứn thỏỳt K tt.tr vaỡ tổỡ õoù ta xaùc õởnh õổồỹc doỡng nhióỷt tọứn thỏỳt qua bóử mỷt bọỹ thu, õỏy cuợng chờnh laỡ doỡng nhióỷt trao õọứi giổợa caùc bóử mỷt. Tổỡ 64 . TTq += (4.15 ) Với ( ) ( ) 1 11 1 2 1 2 1 1 + ++ = cp cpcp cp bx TTTT Nhiệt trở R 3 sẽ là: 1 Ta T p S Q hi K tt Hỗnh 4.6. Sồ õọử maỷng nhióỷt tổồng. õổồỹc phỏn bọỳ nhióỷt õọỹ trón bóử mỷt tỏỳm, ngổồỡi ta sổớ duỷng caùc giaớ thiết sau: 1- Quaù trỗnh truyóửn nhióỷt ồớ traỷng thaùi ọứn õởnh. 2- Caùc ọỳng