Hệ thống cung cấp nước núng cú nhiệt độ thấp dựng năng
lượng mặt trời hiện nay được sử dụng rộng rói trong sinh hoạt gia đỡnh hoặc trong nhà hàng, khỏch sạn với mục đớch tắm giặt, rửa chộn bỏt, hõm nước bể bơi và hõm núng nước trước lỳc nấu nhằm tiết kiệm năng lượng... Thiết bị chủ yếu của hệ thống này đú là bộ phận hấp thụ bức xạ nhiệt mặt trời sau đõy được gọi là Collector.
Cấu tạo và nguyờn lý làm việc của Collector
Bất cứ vật thể nào mà để dưới ỏnh nắng mặt trời đều hấp thụ nhiệt và ta cú thể cảm nhận được điều đú bằng cỏch sờ tay vào nú. Nhưng bộ gúp năng lượng mặt trời “Collector” được tạo thành bởi cỏc vật liệu mà cú thể hấp thụ tốt nhất năng lượng bức xạ mặt trời.
Collector hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời và truyền nhiệt cho nước (hoặc khụng khớ) chứa trong đú. Nước núng trong cỏc ống của bề mặt trao đổi nhiệt gión nở và dú đú cú thể chuyển động lờn phớa trờn nhờ hiệu ứng Syphon nhiệt rồi đi vào bỡnh chứa, lỳc đú nước cú nhiệt độ thấp hơn đi từ dưới bỡnh chứa theo ống xuống vào phần dưới của Collector. Bằng cỏch này Collector cú thể tập trung hầu hết phần lớn nhiệt từ mặt trời mỗi ngày.
Điều quan trọng nữa là Collector phải cấu tạo sao cho để hạn chế sự mất mỏt nhiệt do quỏ trỡnh tỏa nhiệt ra mụi trường xung quanh
1 2 3 4 5 6 7 8 a b
Hỡnh 4.43. Cấu tạo Collector hấp thụ nhiệt.
1 - Lớp cỏch nhiệt 2 - Lớp đệm tấm phủ trong suốt 3 - Tấm phủ trong suốt 4 - Đường nước núng ra
và vào ban đờm khi nhiệt độ mụi trường xuống thấp. Để đảm bảo được điều đú tốt nhất là phải bọc cỏch nhiệt cho Collector, bỡnh chứa và cỏc đường ống nối.
Bản thõn của Collector tạo thành một hộp khụng khớ kớn do đú khụng khớ núng khụng thể thoỏt ra được, phớa sau Collector cũng cú lớp cỏch nhiệt, do đú nhiệt khụng khụng thể truyền dễ dàng ra ngoài, phớa trước của Collector là một tấm phủ trong suốt, thường là kớnh nhiều khi dựng tấm nhựa trong, lơpù phủ trong suốt này cũn cú tỏc dụng làm tăng quỏ trỡnh hấp thụ nhiệt nhờ hiệu ứng nhà kớnh.
Vậy vấn đề là cần phải làm sao để cú một Collector mà cú thể thu nhận càng nhiều nhiệt càng tốt và mất mỏt nhiệt càng ớt càng tốt. Khụng thể cú 1 Collector và cũng như một cỏch lắp đặt nào hoàn hảo về mọi mặt và thớch hợp cho mọi đối tượng. Trong phần này sẽ chỉ đưa ra một số lựa chọn cho việc thiết kế và lắp đặt một Collector mà thỏa món một số chỉ tiờu sau: Rẻ nhất, Dễ lắp đặt nhất, Hiệu quả nhất.
Kớch thước của Collector
Việc chọn kớch thước cho Collector cú liờn quan bởi nhiều yếu tố khỏc nhau. Một trong cỏc yếu tố quan trọng khi xột đến kớch thước và trọng lượng của một Collector là nú cú thể vận chuyển được đến nơi lắp đặt dễ dàng hay khụng (vận chuyễn lờn mỏi nhà)ỡ. Cỏc yếu tố khỏc cần lưu ý đến nữa là tớnh sẵn cú của cỏc vật liệu khỏc nhau và với kớch thước này sao cho những vật liệu đú cú thể kiếm được một cỏch dễ dàng.
Việc cắt gọt vật liệu dẫn đến cũn lại những phế phẩm và tất nhiờn tốn kộm về tài chớnh và tốn thời gian cũng như năng lượng vụ ớch.
Vớ dụ : Ở Việt Nam tấm kớnh hoặc tấm nhựa cú kớch thước 1250 mm x 800 mm tương đối rẻ và chiều dài ống thường sẵn cú là 6 m. Do đú một Collector cú thể được sản xuất vớiù kớch thước là a x b =1250 mm
x 800 mm và 6m ống dạng hỡnh rắn. Với loại dạng hỡnh rắn và dạng tấm thỡ mối quan hệ của chiều dài và chiều rộng của Collector cần
phải trong khoảng 1,5 ữ 2 lần.
Tấm hấp thụ
Vũng dõy gắn bề mặt hấp thụ vào tấm hấp thụ
Bề mặt trao đổi nhiệt dạng hỡnh rắn
d
Hỡnh 4.44. Bề mặt hấp thụ nhiệt dạng ống hỡnh rắn.
Bề mặt hấp thụ
Bề mặt hấp thụ ở đõy muốn núi đến đú là bề mặt trao đổi nhiệt mà một bờn là năng lượng bức xạ mặt trời được hấp thụ cũn bờn kia là mụi chất cần nung núng. Ngoài bề mặt chứa mụi chất hấp thụ nhiệt, để tăng khả năng hấp thụ thỡ người ta cũn gắn vào bề mặt hấp thụ một
dạng ống kim loại nào (sắt , mạ sắt, nhụm, đồng ). Đường kớnh ống từ
10mm đến 16mm. Cú thể dựng 1 ữ 2 m2 cho một thiết bị hấp thụ.
Ống hỡnh rắn cú thể được uốn cong bằng mỏy uốn, nếu mỏy
uốn ống khụng sẵn cú thỡ cỏc ống cú thể được uốn bằng tay. Để uốn cong dễ dàng, nờn dựng cỏt khụ, đổ đầy vào ống rồi nỳt lại bằng nỳt gỗ để uốn.
Sau khi uốn ống xong, đặt ống nằm trờn tấm kim loại ở đú cú
khoan cỏc lỗ 2 bờn ống, khoảng cỏch cỏc lỗ là 15 cm, nếu khụng cú
khoan thỡ cỏc lỗ cú thể tạo bằng đinh, sợi dõy kim loại được xõu qua
từng cặp lỗ và quanh ống đến khi nú được gắn vững chắc vào tấm hấp
thụ. Tấm hấp thụ cú thể là cỏc dải kim loại và được gắn vào bề mặt
hấp thụ bằng cỏch đan xen vào nhau.
Ống hỡnh rắn cũn cú thể được hàn liờn tục vào tấm hấp thụ, cỏch làm này mất nhiều cụng và vật liệu hơn.
Tấm hấp thụ
Vũng dõy gắn bề mặt hấp thụ vào tấm hấp thụ
Bề mặt trao đổi nhiệt dạng dóy ống
d
làm ống gúp cũng như ống dọc thỡ cần chỳ ý đến độ sẵn cú và giỏ thành của chỳng trờn thị trường. Ống cần phải kiểm tra sự rũ rỉ trước khi hàn.
Núi chung loại này cũng cú 3 cỏch gắn cỏc ống với tấm hấp thụ nhiệt như trường hợp ống hỡnh rắn:
- Với vũng dõy kim loại ( hỡnh 4.45 )
- Đan vào cỏc ống những dói tấm hấp thụ ( hỡnh 4.46 ) - Hoặc hàn
Trong trường hợp bề mặt hấp thụ được chế tạo bằng cỏc tấm, nước
Bề mặt trao đổi nhiệt dạng dóy ống Tấm hấp thụ
Vũng dõy gắn bề mặt hấp thụ vào tấm hấp thụ
khụng chảy theo hệ thống ống mà chảy trực tiếp giữa 2 tấm được hàn với nhau.
Toàn bộ bề mặt của tấm hấp thụ, đốt núng trực tiếp nước và dẫn nhiệt đến mụi chất chứa trong đú. Để chế tạo loại này thường dựng 2 tấm tụn hàn với nhau như hỡnh 4.47.
Để gắn chặt 2 tấm lại với nhau nờn dựng cỏc bulụng ộp ở giữa cú đệm cao su với khoảng cỏch 15cm một, cũng cú thể gắn chặt bằng cỏch hàn đớnh cỏc thanh đỡ ở giữa 2 tấm.
Tấm hấp thụ cú thể chế tạo bởi cỏc tấm tụn lượn soỳng hoặc 1 tấm tụn lượn súng và một tấm tụn phẳng hay 2 tấm tụn phẳng ( hỡnh 4.47).
Tất cả cỏc dạng của tấm hấp thụ cần phải kiểm tra trước khi lắp
rỏp. Khú khăn trong việc lắp rỏp bề mặt hấp thụ dạng tấm là tốn thời gian và cần nhiều cụng, hơn nữa là phải cần dựng thờm que hàn và năng lượng để hàn.
Kết luận về cỏc dạng bề mặt hấp thụ
Từ cỏc kết quả kiểm tra so sỏnh trờn ta cú thể rỳt ra một số kết luận sau:
1- Loại bề mặt hấp thụ dạng dóy ống cú kết quả thớch hợp nhất về
hiệu suất, giỏ thành cũng như cụng và năng lượng cần thiết. Tuy nhiờn nếu trường hợp chỳ trọng đến giỏ thành và sự thuận tiện của quỏ trỡnh lắp đặt thỡ cú thể dựng dạng ống hỡnh rắn. Bề mặt hấp thụ dạng tấm cũng cú kết quả tốt tương đương dạng dóy ống nhưng đũi hỏi nhiều cụng và khú lắp rỏp hơn.
2- Dựng vũng dõy kim loại để gắn ống vào tấm hấp thụ khụng tốt
bằng kiểu đan xen. Hàn thỡ tốt hơn nhưng khụng cần thiết vỡ tốn nhiều cụng cũng như năng lượng.
3- Cỏc ống cỏch nhau trong khoảng 10 - 15 cm là thớch hợp nhất về giỏ thành cũng như khả năng hấp thụ. Nhưng nếu chỳ trọng tất cả cho hiệu suất thỡ cú thể dựng với khoảng cỏch ngắn hơn.
4- Đồng là vật liệu tốt để làm tấm hấp thụ nhưng giỏ thành cao, với
điều kiện ở Việt Nam nờn dựng thộp là hiệu quả nhất.
5- Tấm hấp thụ dựng 0,5 mm là tốt, nhưng nếu cú sẵn 0,8 , 1 , 1,2 mm
vẫn dựng tốt.
6- Ống cú đường kớnh trong bằng 10 mm là tốt nhất, lớn hơn thỡ cũng
tốt nhưng khụng nờn nhỏ hơn.
Lớp sơn phủ bề mặt hấp thụ
Để tăng khả năng hấp thụ người ta thường phủ lờn bề mặt hấp
thụ một lớp sơn. Một lớp sơn đen cú tỷ lệ hấp thụ từ 90 ữ 95% năng
lượng bức xạ mặt trời và chuyển thành nhiệt.
Người ta đó làm thớ nghiệm bằng cỏch dựng cỏc ống cú đường kớnh bằng nhau, và được sơn với cỏc sơn đen khỏc nhau. Đặt lờn một khung với tấm kớnh ngoài, được cỏch nhiệt phần dưới và 2 bờn, mỗi ống được chứa đầy nước và đặt toàn bộ dưới ỏng nắng mặt trời dải nhiệt độ của nước đo được biểu thị tổng số bức xạ nhận được và đó tổng kết theo bảng sau:
Bảng 4.2. Kiểm tra so sỏnh cỏc dạng lớp phủ khỏc nhau
Cỏch phủ Tg k.tra
Bỡnh phun sơn
Quột sơn Bitum Nhựa đường Thời gian 16 phỳt chế độ 640 w/m2 8,9oC 8,8oC 8,6 oC Thời gian 36 phỳt 300W/m2 16,6oC 16,4oC 16,1oC Thời gian 36 phỳt 200 W/m2 8,2oC 8,1oC 7,9oC
Nhỡn vào bảng ta thấy lớp phủ càng mỏng càng tốt, nú cần được phủ với chiều dày tối thiểu cú thể được bởi vỡ bản thõn lớp sơn phủ là 1 lớp cú tỏc dụng cỏch nhiệt. Kết quả tốt nhất là dựng sơn phun một lớp mỏng lờn bề mặt hấp thụ.
Chỳ ý: Để liờn kết giữa lớp sơn phủ và bề mặt hấp thụ tốt và lõu dài thỡ việc làm sạch bề mặt kim loại trước lỳc phun sơn hoặc quột sơn là rất quan trọng. Chỳng tụi cú kinh nghiệm là dựng giấy nhỏm mịn để đỏnh sạch bề mặt.
Lớp sơn phủ lờn bề mặt hấp thụ tốt cũn phải cú tỏc dụng cản trở
sự tỏa nhiệt đến tấm phủ trong suốt. Trong trường hợp này lớp sơn đen bỡnh thường khụng cú hiệu quả, mà chỉ những lớp phủ lựa chọn đặc biệt mới cú khả năng hấp thụ cỏc súng ngắn bức xạ mặt trời (đến 2,5
àm) trong lỳc đú cản trở cỏc súng dài tỏa nhiệt từ bề mặt hấp thụ (đến
4 àm), thực tế lớp phủ lựa chọn đú cú thể là một lớp mỏng ễxyt Niken
và đồng hoặc Sunfit Niken và kẽm màu đen, ở Mỹ người ta thường dựng lớp phủ Crụm màu đen. Tuy nhiờn lớp phủ lựa chọn đặc biệt này rất đắt, và khú kiếm ở điều kiện Việt Nam.
Do đú để thuận tiện cho việc lắp đặt và giỏ thành thỡ chỳng ta
chỉ cần phun với lớp sơn đen lờn bề mặt hấp thụ là đủ.
Tấm phủ trong suốt
Tấm phủ trong suốt ở vị trớ giữa Collector với mụi trường ngoài phớa trờn Collector và hướng về phớa mặt trời.
Chức năng của tấm phủ trong suốt là cỏch ly bề mặt hấp thụ với mụi trường ngoài, do đú giảm được sự mất mỏt nhiệt.
Tấm phủ trong suốt lý tưởng cần phải cho xuyờn qua được với cỏc súng ngắn bức xạ của mặt trời (cỏc tia bức xạ trực tiếp và bức xạ khuyến tỏn) đồng thời ngăn cản cỏc tia bức xạ cú bước súng dài phỏt ra từ bề mặt hấp thụ, tức là tạo được hiệu ứng lồỡng kớnh. Một chức
năng nữa của tấm phủ trong suốt là bảo vệ bề mặt hấp thụ khỏi bị bỏm bẩn với mục đớch kộo dài độ bền của lớp sơn phủ bề mặt hấp thụ.
Tuy nhiờn tấm phủ trong suốt cũng cú sự bất tiện là:
- Nú cú tỏc dụng làm giảm cường độ bức xạ tới. Do đú cần dựng vật liệu với sự cho xuyờn ỏnh sỏng cao, đú là cỏc vật liệu trong suốt như kớnh.
- Cú thờm tấm phủ trong suốt thỡ giỏ thành thiết bị sẽ tăng lờn, nờn việc chọn vật liệu làm tấm phủ trong suốt khụng chỉ dựa trờn tớnh hiệu qủa riờng về kỹ thuật của nú mà cũn dựa trờn độ bền, giỏ thành và sự sẵn cú của nú.
Bảng liệt kờ dưới đõy dẫn đến những kết luận vắn tắt của 3 vật liệu thụng dụng dựng làm tấm phủ trong suốt về sự tiện lợi và tớnh bất tiện của chỳng.
Bảng 4.3. Aớnh hưởng của cỏc vật liệu khỏc nhau làm tấm phủ
Vật liệu Sự thuận tiện Sự bất tiện
Kớnh - Tương đối ổn định (vững chắc) - Bền lõu - Nặng - Khụng sẵn cú ở mọi nơi - Cú thể rất đắt - Dễ vỡ do nộm đỏ Tấm nhựa -Nhẹ -Dễ làm (sử dụng) - Sẵn cú mọi nơi - Khả năng xuyờn suốt ỏnh sỏng lớn (đến 98% ) - Độ bền ( tựy theo dạng ) từ vài thỏng đến vài năm - Độ bền cần phải cõn nhắc khi so sỏnh đến giỏ cả Kớnh tổng hợp - Nhẹ - Dễ làm (sử dụng) - Tớnh chất cỏch - Khả năng xuyờn ỏnh sỏng kộm (do mờ đục) - Khụng sẵn cú ở mọi nơi
Số lượng tấm phủ trong suốt
Số lượng tấm phủ và số khoảng khụng khớ lắp đặt càng lớn thỡ tấm hấp thụ cỏch ly với mụi trường ngoài càng tốt. Tuy vậy mỗi tấm phủ làm giảm tổng năng lượng bức xạ tới được tấm hấp thụ. Nhưng sự cú lợi của nhiệt nhận được do khả năng cỏch ly sẽ cao hơn lượng nhiệt mất mỏt do sự giảm bức xạ đến tấm hấp thụ.
Thường điều đú chỉ xảy ra độ chờnh nhiệt độ của Collector và
nhiệt độ mụi trường ngoài cao hơn 35 hoặc 40oC.
Nhiệt từ Collector với một tấm phủ hoàn toàn cú khả năng đun núng nước dựng ở hộ gia đỡnh. Tấm phủ thứ 2 chỉ khi cần cú độ chờnh
giữa nhiệt độ Collector và nhiệt mụi trường sai khỏc trờn 40oC và hoặc
tốc độ giú thường lớn hơn 4 ữ 5 m/s.
( như trường hợp dựng cho thiết bị chưng cất nước)
Khi dựng 2 tấm phủ thỡ hiệu quả nhất là tấm phủ trong chỉ cần tấm kớnh mỏng (hoặc tấm nhựa nhưng nú cho ỏnh sỏng xuyờn qua yếu hơn chỳt ớt ).
Bảng 4.4. Kiểm tra so sỏnh số lượng và vật liệu tấm phủ trong suốt.
Khụng cú tấm phủ Một lớp 3mm kớnh Hai lớp 3mm kớnh Tấm nhựa 0,1 mm Tấm nhựa 0,5mm Bức xạ W/m2 855 765 674 807 780 Khả năng truyền qua 100% 89% 79% 94% 91% Khung đỡ Collector
Khung đỡ Collector cần thỏa món cỏc điều kiện sau:
- Bảo vệ Collector khỏi bị ảnh hưởng từ mụi trường như (mưa, ẩm, ướt, giú ...)
- Cấu trỳc đơn giản và cú độ bền lõu (10 ữ 15 năm) Khung đỡ cú thể được chế tạo từ gỗ hoặc kim loại.
Kớnh Bề mặt hấp thụ Lớp cỏch nhiệt Khung gỗ Lớp đệm cao su Tấm kim loại Vớt Hỡnh 4.48. Khung đỡ Collector làm bằng gỗ.
Sự thuận tiện của việc dựng gỗ là hiệu quả cỏch nhiệt tốt nờn khụng cần thiết phải bảo ụn mặt bờn, giỏ thành cú rẻ hơn cỏc loại khỏc.
Nếu khung đỡ Collector được chế tạo bằng kim loại, thỡ cần phải sơn bảo vệ, bờn ngoài của khung kim loại cú cỏch nhiệt. Khi cú độ chờnh nhiệt độ lớn cần chỳ ý là tấm hấp thụ và tấm kớnh phủ giản
nở (sự giản nở về chiều dài của 1 m kớnh bỡnh thường từ 0oC đến
100oC là 1,5 mm). Khi đặt tấm kớnh nú cần đặt vừa vặn, quan trọng là
khụng cho nước mưa rũ qua, nú cũn cần phải kớn khụng khớ để khớ núng thoỏt ra ngoài được
Kớnh Bề mặt hấp thụ Lớp cỏch nhiệt Tấm nhựa Tụn bọc Tấm lút Khung đỡ Vớt Thanh gỗ Đệm
Hỡnh 4.49. Khung đỡ Collector làm bằng kim loại.
Cỏch nhiệt Collector
Lượng nhiệt mất mỏt do sự tỏa nhiệt từ Collector là rất lớn. Do
đú lớp cỏch nhiệt cần phải giảm tối thiểu mất mỏt nhiệt phỏt ra từ
Collector và phải chịu được sự đốt núng tới 100oC.
Lớp cỏch nhiệt cần cú chiều dày 5cm, tuy nhiờn nú cú thể mỏng
