C ấu tạo của một hệ thống
6.1.2.2. Cấu tạo, nguyên tắc làm việc của một số thiết bị chuyển đổi quang nhiệt
* Các bộ góp nhiệt phẳng
Bộ góp nhiệt hay còn gọi là colector là bộ phận cơ bản của mọi thiết bị dùng năng lượng mặt trời sang các dạng năng lượng hữu ích khác. Colector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng là phẳng. Mặt phẳng này đồng thời là mặt hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng bức xạ. Cấu trúc colector phẳng rất đơn giả n, chỉ là một mặt phẳng bôi đen đạt trên một lớp cách nhiệt. Do tính chất hấp thụ ánh sáng của vật đen, nó có thể nóng lên đến 60 - 70 0C. Sau đó nếu vẫn tiếp tục được chiếu sáng, mặt hấp thụ sẽ không nó ng lên nữa, nhiệt độ cao nhất có thể đạt được gọi là nhiệt độ cân bằng.
Sở dĩ nhiệt độ dừng lại ở nhiệt độ cân bằng là do khi nóng lên chính mặt hấp thụ lại trở thành vật bức xạ hồng ngoạ i đồng thời lại còn truyền nhiệt ra môi trường (nếu có nhiệt độ thấp hơn) theo cơ chế dẫn nhiệt và đối lưu. Như vậy ở nhiệt độ cân bằng năng lượng nhận vào đúng bằng năng lượng thả i ra. Muố n tăng nhiệt độ cân bằng hoặc phải
1 2 3
tăng mật độ dòng năng lượng tới hoặc giả m hao tổn nhiệt năng bằng cách đặt lên mặt bôi đen một vài lớp che trong suốt thích hợp.
Các lớp che trong suốt cho bức xạ mặt trời đi qua dễ dàng song lại cản bức xạ hồng ngoạ i phát ra từ vật do đó có tác dụng như là một bẫy nhiệt. Nhờ bố trí các nắp che trong suốt mà nhiệt độ cân bằng có thể lên tới 90 - 100 0C. Ngoài ra để tăng hiệu quả của mặt hấp thụ có thể uốn thành dạng gợn sóng hoặc sử dụng chất bôi đen đặc biệt gọi là chất hấp thụ chọn lọc. Các loại mặt hấp thụ này sẽ hấp thụ rất mạnh bức xạ có bước sóng thuộc giả i phổ ánh sáng mặt trời song lạ i bức xạ hồng ngoại ít hơn nhiều so với mặt hấp thụ bôi đen bằng vật liệu thông thường ở cùng nhiệt độ. Do đó cân bằng năng lượng nằ m ở nhiệt độ khoảng 170 - 180 0C.
Nhìn chung colector phẳng có nhiệt độ làm việc không cao nhưng rất dễ chế tạo và có giá thành rẻ, sử dụng dễ dàng, làm việc được cả trong điều kiện bức xạ trực tiếp hay khuếch tán.
*. Bộ góp nhiệt zic-zắc
Để khắc phục nhược điể m của colector phẳng người ta đã thiết kế loại colector zic zắc gồ m các lá kim loại bôi đen ghép lại với nhau. Nhờ vậy colector zic zắc có thể bẫy hầu hết các tia nắng kể cả lúc sáng sớm và khi chiều muộ n, do đó nó có thể cấp nhiệt lâu hơn theo thời gian trong ngày. Cấu trúc của colector zic zắc là m giả m mạnh dòng nhiệt đối lưu làm giả m hao tổn nhiệt và tạo điều kiện truyề n nhiệt lớn nhất cho chất mang nhiệt.
*. Các bộ góp nhiệt hội tụ
Khi mặt nhận là mặt phản xạ (không phải là mặt hấp thụ) tập trung bức xạ về một điểm (vùng hẹp) hoặc một dải thì đó là một colector hội tụ. Muốn sử dụng năng lượng bức xạ cần đặt một vật hấp thụ tại vùng tập trung ánh sáng. Người ta thường gọi mặt nhận là bộ phản xạ hay bộ hội tụ, còn vật hấp thụ là bộ nhận, lúc đó colector hội tụ được hiể u là tổ hợp của bộ nhậ n và bộ hội tụ. Bộ hội tụ đả m nhận việc tập trung dòng năng lượng còn bộ nhậ n chuyển đổi dòng năng lượng thành dạng năng lượng thích hợp. Colector với bộ hội tụ dạng mặt tròn xoay có độ hội tụ cao, có nghĩa là có tỉ số giữa diện tích qui phẳng của mặt hội tụ với diện tích hấp thụ của mặt nhận cao. Do đó cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng ngà n độ, song như đã phân tích loại này khó chế tạo và sử dụng.
Colector trụ có mặt phản xạ là mặt trụ có độ hội tụ trung bình, tập trung bức xạ thành một dải sáng với nhiệt độ khoảng 350 - 500 0C. Colector trụ có rất nhiều ưu điểm: dễ chế tạo và qui mô lớn. Nếu colector đủ dài có thể đặt theo một hướng xác định, không đòi hỏi điề u chỉnh thường xuyê n, phần mất mát năng lượng không đáng
cập đến colector hộ i tụ. Đặc biệt để đun nước, colector hội tụ dùng rất thíc h hợp và cho hiệu suất cao (60 - 70%), vì có thể sử dụng dễ dàng hiệ u ứng lồng kính với bộ nhận. Theo số liệu thực nghiệ m cho thấy với một colector trụ có diện tích hứng nắng qui phẳng 1 m2 vào ngày nắng trung bình có thể đun sôi 3 lít nước trong thời gian 20 - 30 phút. Thiết bị có thể hoạt động từ 8 giờ sáng đến 16 giờ chiề u và đạt năng suất 50 - 60 lít/ngày.