truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng

Bộ công thương

Trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh

Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh

Tiểu luận

Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trúc

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Tuấn (0612438)

Vũ Thanh Tú (0615518)

Đỗ Quốc Cường (0604848)

Bùi Xuân Toàn (0612254)

Phạm Hân (0604741)

Phan Văn Hồng (0614394)

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2009

Phụ lục

Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5

Lời nói đầu.................................................................................................2

Phần I Cơ Sở Lý Thuyết..........................................................................3

1.1 Bức xạ nhiệt.........................................................................................3

1.2 Độ phát xạ E, độ phản xạ R.................................................................4

1.3 Hệ số cách nhiệt của vật liệu R............................................................5

1.4 Hệ số dẫn nhiệt K.................................................................................6

Phần II : Truyền Nhiệt Bức Xạ Qua Tấm Phẳng, Hấp Thụ Bức Xạ Nhiệt

2.1 Sự phản xạ bức xạ mặt trời.................................................................8

2.2 Hấp thụ bức xạ bởi tấm kính..............................................................11

2.3 Các đạc tính quang học của hệ thống tấm nắp...................................12

2.4 Hệ số truyền dẫn bức xạ khuyếch tán................................................14

2.5 Hệ số truyền dẫn và hệ số hấp thụ của sản phẩm...............................15

2.6 Sự phụ thuộc góc .......................................................................16

2.7 Sự phụ thuộc quang phổ của hệ số truyền dẫn...................................17

2.8 Những ảnh hưởng của các lớp bề mặt lên hệ số truyền dẫn..............20

2.9 Hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời..................................................21

2.10 Bức xạ hấp thụ trung bỉnh hằng tháng.............................................22

2.11 Hệ số hấp thụ trong phòng...............................................................26

Tổng kết .................................................................................................28

Tài liệu tham khảo.................................................................................29

Lời nói đầu

1


Thế giới ngày nay của chúng ta đang đối đầu với nhiều thách thức trong đó vấn

đề an ninh năng lương là một vấn đề nóng mà chúng ta đang từng bước tìm cách

tháo dỡ. Khi mà các nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than

đá…, đang bước vào giai đoạn khó khăn, cạn kiệt trong khai thác, cũng như vấn đề

ô nhiễm toàn cầu ngày càng trở nên nhức nhối thì vấn đề được đặt ra là: “Trong

tương lai gần con người sống và sử dụng nguồn năng lượng nào thay thế”. Một

trong những giải pháp hữu hiệu nhất đảm bảo cả về chất lượng môi trường, và cuộc

sống đó là năng lượng mặt trời. Từ những ứng dụng thực tiễn ban đầu đến nay, con

người bước đầu đã nắm được phần cơ sở của việc ứng dụng năng lượng mặt trời

trong quá trình thay thế các nguồn năng lượng khác. Tuy nhiên, từ thực tế sử dụng

đặt ra nhiều vấn đề mà chúng ta vẫn còn rất băn khoăn trong cách sử dụng đó là:

“Chi phí và hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời”. Tuy nhiên, từ những thành

công ban đầu đó chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng vào tương lai của ngành năng

lương thế giới.

Đề tài “ Truyền nhiệt qua bức xạ qua tấm phẳng” giúp cho sinh viên có những

kiến thức ban đầu về cơ chế hoạt động của bức xạ mặt trời đến trái đất cũng như

khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời các bề mặt vật liệu trong cuộc sống của chúng ta.

Từ đó nắm bắt những tiến bộ mới nhất sự phát triển của ngành năng lượng thế giới

và các ứng dụng hữu ích của năng lượng mặt trời trong thực tế cuộc sống.

Nhóm sinh viên thực hiện

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ QUA TẤM PHẲNG

2


PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Bức xạ nhiệt.

Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt (năng lượng nhiệt) dưới dạng sóng điện từ (tia

hồng ngoại - Infrared rays) xuyên qua khoảng không. Sóng bức xạ, giống như sóng

radio nằm giữa sóng ánh sáng và sóng radar (có quang phổ từ 3-15 micron). Vì vậy,

khi nói đến sóng bức xạ, ta chỉ đề cập đến tia hồng ngoại. Mọi bề mặt đều phát xạ,

chẳng hạn như dàn nóng máy lạnh, bếp, mái sàn, vách và ngay cả các vật liệu cách

nhiệt thông thường, đều phát xạ ở các cấp độ khác nhau. Nhiệt bức xạ không nhìn

thấy được và không có nhiệt độ, thực chất là một dạng truyền năng lượng. Chỉ khi

tia bức xạ đập vào một bề mặt, năng lượng bức xạ mới sinh ra nhiệt làm cho bề mặt

này nóng lên.

Khái niệm này có thể hình dung rõ hơn qua ví dụ sau: vào ngày nắng, nhiệt bức

xạ từ mặt trời chiếu vào xe hơi, xuyên qua lớp kính làm cho kính nóng lên. Ngoài

ra, mặt trời cũng làm cho phần vỏ xe nóng lên, bức xạ tiếp vào bên trong xe. Bức xạ

nhiệt từ mặt trời, đập vào vách và mái nhà. Do đó các vật liệu này sẽ hấp thụ nhiệt

lượng đó và nóng lên. Nhiệt này truyền vào mặt trong của vách và mái nhà thông

qua quá trình dẫn nhiệt, tiếp theo đó là bức xạ tiếp tục vào không gian bên trong.

Các bề mặt này tiếp tục phát xạ làm cho làn da con người hứng chịu bức xạ nhiệt

xuyên qua không khí. Chính bức xạ thứ cấp này là nguyên nhân gây ra sự “nóng

hầm” trong nhà, đem lại cảm giác nóng bức khó chịu cho con người.

3


1.2 Độ phát xạ và độ phản xạ.

* Mọi vật liệu đều hấp thụ và phát xạ nhiệt. Đối với nhiệt bức xạ, có hai chỉ số

đặc trưng:

1.2.1 Độ phát xạ E (Emittance/Emissivity): là đại lượng đặc trưng cho khả

năng hấp thụ hoặc phát xạ bức xạ nhiệt măt trời của một bề mặt vật liệu (tất cả các

vật liệu đều có hệ số phát xạ dao đông từ 0 đến 1). Độ phát xạ càng thấp thì nhiệt

phát ra từ bề mặt của vật liệu càng thấp ( năng lượng hồng ngoại). Bức xạ hồng

ngoại được một vật thể hấp thụ như là nhiệt.

- Chiều dày của vật liệu không ảnh hưởng đến độ phát xạ, chỉ có bề mặt của vật

liệu mới là yếu tố quyết định đến độ phát xạ của vật liệu.

1.2.2 Độ phản xạ R (Reflectance/Reflectivity): thể hiện khả năng phản chiếu

năng lượng bức xạ trên bề mặt, chống sự xâm nhập của tia bức xạ.

- Độ phát xạ và phản xạ có mối liên hệ tương quan lẫn nhau, vật liêu có độ phát xạ

thấp thì có độ phản xạ cao.

4


Độ phát xạ (E) và độ phản xạ (R) của một số vật liệu

1.3 Hệ số cách nhiệt của vật liệu R

Hệ số cách nhiệt hay còn gọi là "R". Hệ số cách nhiệt của một vật liệu được tính

bằng thương giữa độ dày (T) với hệ số dẫn nhiệt của vật liệu đó. Đơn vị

tính: m2.oK/W. Vật liệu cách nhiệt thường được phân loại dựa vào “Hệ số cách

nhiệt”, thể hiện khả năng làm suy giảm dòng nhiệt lượng truyền qua vật liệu...

Ngoài ra hệ số cách nhiệt R-value của vật liệu cách nhiệt được còn được thể hiện

bằng “R-number” trong điều kiện điện trở nhiệt trên đơn vị chiều dày inch. Với độ

dày bất kỳ, hệ số cách nhiệt R tổng cộng bằng tỷ lệ R/inch nhân với độ dày.Hệ số

cách nhiệt R càng cao thì khả năng cách nhiệt của vật liệu càng tốt

Ví dụ: xenlulo có hệ số cách nhiệt R-3.7 / inch, vật liệu cách nhiệt có độ dày 6-inch

=> R tổng cộng = R-22.2 (6 x 3.7).

5

http://www.tekcom.vn/images/stories/products/Kienthuccoban-ve-nhiet/cac-dinh-nghia/2.jpg


Hệ số cách nhiệt R của bất kỳ vật liệu nào đó luôn thể hiện được khả năng dẫn nhiệt

của vật liệu đó.

Ví dụ: tính hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt có R-3.5/inch, ta có kết quả sau:

l = 1/3.5 = 0,2857 (Btu.in/ft2.h.oF)

K = 0,2857 x 0,1442 = 0,0412 (W/m.oK)

Vật liệu có độ phản xạ càng cao thì khả năng chống được bức xạ nhiệt càng tốt.

1.4 Hệ số dẫn nhiệt K

Hệ số dẫn nhiệt (ký hiệu là “l” hoặc “k”): Là đại lượng vật lý đo lường khả năng

dẫn nhiệt của vật liệu, được tính bằng Watt trên mét vuông (W/m2) trên bề mặt một

gradien nhiệt độ một Kelvin (1 0K) trên đơn vị độ dày 1m.

Đơn vị tính là W/m. 0K Ngoài ra l còn được tính theo đơn vị Anh: 1 Btu.in/ft2.h.

F = 0.1442 W/m. 0K

PHẦN II: SỰ TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ QUA TẤM PHẲNG

HẤP THỤ BỨC XẠ NHIỆT

6

Truyền nhiệt qua vật liệu


Sự truyền dẫn, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời bởi những phần

khác nhau của bộ thu năng lượng mặt trời rất quan trọng trong việc xác định hiệu

quả của một bộ thu. Hệ số truyền dẫn, hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ là những hàm

của bức xạ tới, bề dày, chỉ số khúc xạ và hệ số cản trở của vật liệu. Thông thường,

chỉ số khúc xạ và hiệu suất cản trở k của vật liệu tấm nắp là những hàm của bước

sóng bức xạ. Tuy nhiên, mọi đặc tính ban đầu sẽ được giả định là độc lập với bước

sóng ánh sáng. Một ví dụ tốt nhất là đối với thuỷ tinh. Vật liệu phổ biến làm tấm

nắp của bộ thu năng lượng mặt trời. Nhiều vật liệu tấm nắp có những đặc tính quang

học quan trọng thay đổi với bước sóng và quang phổ phụ thuộc vào những đặc tính

được xem xét ở phần sau. Tuy nhiên, sự đới lưu phân cực là quan trọng như bức xạ

tới phân cực từng phần khi nó đi qua tấm nắp bộ thu.

2.1 Sự phản xạ bức xạ mặt trời.

7

Bức xạ mặt trời qua một tấm vật liệu bao gồm các thành phần: Phản xạ ( reflection), truyền dẫn (transmission) và hấp thụ (absorption)

Các thành phần của tia bức xạ truyền tới một bề mặt


Đối với những bề mặt Fresnel nhẵn mịn ta nhận được những biểu thức về sự phản

xạ không phân cực đi từ môi trường 1 với chỉ số khúc xạ n1 đến môi trường 2 với

chỉ số khúc xạ n2:

(5.1.1) (5.1.2)

(5.1.3)

8

Quá trình truyền của tia bức xạ

Thành phần phản xạTia tới

Thành phần khúc xạ


Ở đây và là những góc tới và góc khúc xạ. Phương trình về 5.1.1 thể hiện

những thành phần vuông của bức xạ không phân cực, , và phương trình 5.1.2 biểu

diễn thành phần song song của bức xạ không phân cực, .( song song và vuông

góc với bề mặt ngang được xác định bởi tia tới và bề mặt thường). Phương trình

5.1.3 chỉ ra sự phản xạ của bức xạ không phân cực như trung bình của hai thành

phần. Góc và quan hệ với hệ số khúc xạ định luật Snell.

Định luật Snell: Công thức đặc trưng của hiện tượng khúc xạ, được gọi là

định luật Snell hay định luật khúc xạ ánh sáng có dạng:

Trong đó:

i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách và pháp

tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường.

r là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của

mặt phẳng phân cách hai môi trường.

n1 là chiết suất môi trường 1.

n2 là chiết suất môi trường 2.

Tỉ số không thay đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường được gọi

là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi

trường chứa tia tới (môi trường 1). Nếu tỉ số này lớn hơn 1 thì góc khúc xạ nhỏ hơn

góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang hơn môi trường 1. Ngược lại nếu tỉ số này

nhỏ hơn 1 thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang kém môi

trường 1.

Trong các ứng dụng năng lượng mặt trời, sự truyền dẫn năng lượng mặt trời qua

một tấm hoặc màng của vật liệu có hai bề mặt chung trên tấm nắp gây ra sự phản xạ

thất thoát. Bức xạ mặt trời phản xạ tại bề mặt chung là khác nhau đối với mỗi thành

9

http://vi.wikipedia.org/wiki/G%C3%B3c

http://vi.wikipedia.org/wiki/Chi%E1%BA%BFt_su%E1%BA%A5t

http://vi.wikipedia.org/wiki/Chi%E1%BA%BFt_su%E1%BA%A5t

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Ph%C3%A1p_tuy%E1%BA%BFn&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Ph%C3%A1p_tuy%E1%BA%BFn&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/M%E1%BA%B7t_ph%E1%BA%B3ng

http://vi.wikipedia.org/wiki/Tia_s%C3%A1ng


phần phân cực, do đó bức xạ mặt trời truyền dẫn và phản xạ trở nên phân cực từng

phần. Do vậy, cần thiết phải xử lý mỗi thành phần phân cực riêng rẽ.

Không chú ý đến sự hấp thụ như trong hình dưới đây và xem xét đối với thành

phần trực giao không phân cực của bức xạ tới, ( 1- ) của tia tới đến bề mặt chung

thứ 2. (1- )2 đi qua bề mặt chung và (1- ) được phản xạ trở lại như trước,

v.v… Hệ số truyền dẫn đối với thành phần trực giao phân cực là .

(5.1.7)

Quá trình truyền của tia bức xạ qua lớp phủ không hấp thụ

Một cách chính xác kết quả mở rộng khi thành phần phân cực là song song.

Thành phần và là không bằng nhau ( tại cùng tia tới) và hệ số truyền dẫn của

bức xạ không phân cực ban đầu là hệ số truyền dẫn trung bình của hai thành phần.

(5.1.8)

Ở đây giới hạn dưới r là một nhắc nhở chỉ sự phản xạ được xem xét

Đối với hệ thống có N tấm nắp tất cả cùng vật liệu, cùng cách thức sản xuất.

(5.1.9)

10


2.2 Hấp thụ bức xạ nhiệt bởi tấm kính phẳng.

Sự hấp thụ bức xạ trong từng phần trong một môi trường trong suốt được miêu tả

bởi định luật Bouguer, định luật này dựa trên giả thiết về sự hấp thụ bức xạ là tỷ lệ

cường độ bức xạ cục bộ trong môi trường và khoảng cách bức xạ x truyền qua môi

trường,

(5.2.1)

Ở đây K là thành phần tỷ lệ không đổi, hệ số cản trở, được giả định là hằng số

trong quang phổ mặt trời. Tích phân theo độ dài thực tế của mội trường

(5.2.2)

Ở đây ký hiệu a chỉ sự hấp thụ tổn thất là được xem xét. Đối với thuỷ tinh, giá trị

của K thay đổi từ xấp xỉ 4 m-1 đối với thuỷ tinh “ Water white” ( là loại thuỷ tinh sẽ

xuất hiện màu trắng khi được quan sát ở bên cạnh bên) đến xấp xỉ 32 m-1 đối với

thuỷ tinh chất lượng thấp ( hóa xanh khi được quan sát ở cạnh bên).

Hấp thụ bức xạ nhiệt bởi tấm kính phẳng

11


2.3 Các đặc tính quang học của hệ thống tấm nắp

Hệ số truyền dẫn, hệ số phản xạ, hệ số hấp thụ của một tấm nắp đơn, cho phép cả

sự phản xạ và hấp thụ mất mát, có thể được xác định bằng chùm tia kỹ thuật tương

tự như được sử dụng để nhận được phương trình 5.1.7. Đối với thành phần vuông

góc không phân cực, hệ số truyền dẫn , hệ số phản xạ , và hệ số hấp thụ của

bộ tấm nắp là

(5.3.1)

(5.3.2)

(5.3.3)

Kết quả tương tự cũng có được đối với các thành phần song song phân cực. Đối

với bức xạ vốn không phân cực, các đặc tính quang học hình thành bởi trung bình

của hai thành phần.

Phương trình hệ số truyền dẫn một tấm nắp của bộ thu có thể được đơn giản hóa

bằng những chú ý ở cuối phần thật ngữ trong phương trình 5.3.1 ( nó tương đương

với thành phần vuông góc không phân cực) là duy nhất, bởi vì ít khi nhỏ hơn 0.9

và r là bậc 0.1 đối với nhưng tấm nắp bộ thu thực tế. Hệ số truyền dẫn của một tấm

nắp đơn trở thành.

(5.3.4)

Đây là mối liên hệ thoã đáng đối với bộ thu năng lượng mặt trời với vật liệu và

góc tấm nắp thực tế.

Hệ số hấp thụ năng lượng mặt trời có thể xấp xỉ bằng

(5.3.5)

Hệ số phản xạ của một tấm nắp được hình thành từ , do đó

12


(5.3.6)

Hình dưới đây đưa ra các đuờng cong của hệ số truyến dẫn như là một hàm của góc

tới đối với hệ thống có một đến 4 tấm nắp của 3 loại thuỷ tinh khác nhau.

Đối với hệ thống có hai tấm nắp không cần thiết phải giống hệt nhau, sự theo dấu

tia đối với phương trình của hệ số truyền dẫn, hệ số phản xạ, ở đây giới hạn dưới 1

quy cho đầu ra của tấm nắp và giới hạn dưới 2 đối với đầu vào của tấm nắp

(5.3.7)

(5.3.8)

Chú ý rằng hệ số phản xạ từ tấm nắp phụ thuộc vào tấm nắp chắn bức xạ.

13


2.4 Hệ số truyền dẫn bức xạ khuyếch tán

Bức xạ mặt trời tới một bộ thu chỉ bao gồm bức xạ mặt trời phân tán từ bầu trời

và có thể bức xạ mặt trời phản xạ từ mặt đất. Chủ yếu, số lượng bức xạ ngang qua

hệ thống tấm nắp có thể được tính toán bằng cách tích phân bức xạ truyền lên toàn

bộ các góc. Tuy nhiên các góc phân bố của bức xạ thì thường không biết.

Đối với bức xạ tới đẳng hướng (với một góc độc lập), phép lấy tích phân có thể

được thực hiện. Sự trình bày các kết quả có thể được đơn giản hóa bằng cách xác

định một góc tương đương với tia bức xạ có cùng hệ số truyền dẫn như đối với bức

xạ khuyếch tán. Đối với phạm vi rộng của các điều kiện gặp nhau của các tấm thu

úng dụng năng lượng mặt trời, tương đương về cơ bản là 600 . Hay nói cách khác,

tia bức xạ tới tại một góc 600 có cùng hệ số truyền dẫn như bức xạ khuyếch tán đẳng

hướng.

Bức xạ khuyếch tán gần mặt trời có thể được xem xét như có cùng góc tới như

tia bức xạ. Bức xạ khuyếch tán từ đường chân trời thường là sự bao gồm rất ít đối

với lượng tổng bức xạ như số lượng có thể đạt được khi có cùng góc tới như bức xạ

khuyếch tán đẳng hướng.

Các bộ thu năng lượng mặt trời thường được định hướng do đó chúng có thể thu

được năng lượng bức xạ từ cả bầu trời và mặt đất. Nếu như bức xạ khuếch tán từ

bầu trời và bức xạ khuếch tán từ mặt đất là đẳng hướng, hệ số truyền dẫn lên hệ

thống tấm phẳng có thể được tìm ra bằng cách tích phân hệ số truyền dẫn của tia lên

góc tới thích hợp. Việc tính tích phân này được thực hiện bởi Brandemuehl và

Beckman (1980); Mọi bức xạ khuếch tán có thể được xử lý như đối với một góc tới

tương đương và mọi bức xạ phản xạ từ mặt đất có thể được xem xét như các góc tới

tương đương khác. Khu vực được che bao gồm phạm vi rộng của tấm phẳng. Hình

dưới đây chỉ ra đường cong phía trên là của một tấm bao polyflorinated ethylene

không có sự hấp thụ bên trong, đường cong bên dưới thể hiện một tấm bao hai lớp

với chỉ số khúc xạ trong khoảng 1.34 và 1.526 và chiều dài cản trở ít hơm 0.0524

nằm trong vùng che phủ.

Dường thẳng hình ở trên là bức xạ phản xạ từ mặt đất bởi.

(5.4.1)

và bức xạ khuyếch tán là

14


(5.5.2)

Góc hiệu quả của tán xạ đẳng hướng và bức xạ phản xạ từ mặt đất lên mặt phẳng nghiêng

2.5 Hệ số truyền dẫn và hệ số hấp thụ của sản phẩm

Bức xạ mặt trời ngang qua hệ thống tấm nắp và tia tới đến mặt phẳng, một phần

phản xạ quay lại hệ thống tấm nắp. Tuy nhiên, tất cả bức xạ không bị mất đi, mà

một phần phản xạ trở lại mặt phẳng.

Sự hấp thụ bức xạ mặt trời bởi tấm hấp thụ dưới hệ thống lớp kính

15


Trạng thái này được miêu tả ở hình trên, với là hệ số truyền dẫn của hệ thống

tấm nắp tại giá trị góc mong muốn và là góc hấp thụ của tấm hấp thụ.

Với năng lượng tới, được hấp thụ bởi tấm hấp thụ và là năng lượng phản

xạ lại hệ thống tấm nắp. Sự phản xạ từ tấm hấp thụ được giả định là khuếch tán, vì

thế một phần khúc xạ đập trực tiếp vào tấm kính được khuếch tán và

được phản xạ trở lại tấm hấp thụ. Giá trị đề cập đến hệ số phản xạ của

hệ thống tấm nắp đối với tia bức xạ khuyếch tán tới từ mặt đáy và có thể được ước

lượng từ phương trình 5.3.6 với những giá trị khác nhau ở khoảng giữa và tại

giá trị góc bằng 600 . Nếu hệ thống kính bao gồm hai tấm nắp ( hoặc hơn) với vật

liệu không giống nhau, sẽ khác nhau ( không đáng kể ) từ hệ số phản xạ

khuyếch tán của bức xạ mặt trời tới. Sự phản xạ phức tạp của bức xạ khuyếch liên

tục do đó một phần của năng lượng tới sau cùng được hấp thụ là

(5.5.1)

Ở đây: Hệ số hấp thụ của tấm phẳng hấp thụ đối với bức xạ bị phản xạ có thể

là hệ số hấp thụ bức xạ khuyếch tán. Ngoài ra, bức xạ bị phản xạ có thể không hoàn

toàn là khuyếch tán, và có thể bị phân cực từng phần. Tuy nhiên, sai sót trong kết

quả này là không đáng kể do đó sự khác biệt giữa và là rất nhỏ.

Giá trị của trong ví dụ gần bằng 1.01 lần sản phẩm của là lần. Đó là sự xấp

xỉ hợp lý đối với mọi tấm thu năng lượng mặt trời trong thực tế. Do đó

( )=1.01 (5.5.2)

2.6 Sự phụ thuộc góc

Để đơn giản trong việc xác định ( ) như là một hàm góc tới , Klein(1974-1979)

đã phân tích mối quan hệ giữa / và dựa trên góc phụ thuộc và góc

phụ thuộc đối với tấm nắp thuỷ tinh có KL=0.04. Kết quả là không chính xác đối

với KL và có thể áp dụng cho mọi tấm nắp có chỉ số khúc xạ gần với thuỷ tinh loại

này. Kết quả đạt được bằng cách sử dụng đồ thị thực chất là giống nhau đối với các

kết quả đạt được bằng góc tới độc lập là và .

16


Đường cong / đối với hệ thống từ 1 đến 4 tấm nắp

2.7 Sự phụ thuộc quang phổ của hệ số truyền dẫn.

Hầu hết mọi môi trường truyền dẫn một cách có chọn lọc, hệ số truyền là một

hàm của bước sóng vốn gắn liền bức xạ tới. Thuỷ tinh, vật liệu thông thường được

sử dụng làm vật liêu tấm nắp trong các bộ thu năng lượng mặt trời, có thể hấp thụ ít

quang phổ năng lượng mặt trời nếu thành phần Fe2O3 có trong nó thấp. Nếu thành

phần Fe2O3 của nó cao, nó sẽ hấp thụ thành phần hồng ngoại của quang phổ mặt

trời. Hệ số truyền của một vài loại thuỷ tinh với thành phần kim loai thay đổi được

chỉ ra trong biểu đồ bên dưới. Nó chỉ ra một cách rõ ràng rằng “ water white” (thành

phần kim loại thấp) có hệ số truyền dẫn tốt nhất; các loại thủy tinh với hàm lượng

Fe2O3 có màu lục ở bên ngoài và hệ số truyền dẫn tương đối thấp. Chú ý rằng sự

truyền phát không phải là một hàm hiêu quả của bước sóng quang phổ mặt trời

ngoại trừ đối với “thuỷ tinh hấp thụ nhiệt”. Thuỷ tinh về cơ bản trở nên không trong

suốt tại những bước sóng dài hơn xấp xỉ 3µm và có thể xem như là trong suốt với

bước sóng bức xạ dài hơn,

Một vài tấm nắp bộ thu năng lượng mặt trời có thể có các hệ số truyền dẫn lớn hơn

bước sóng phụ thuộc đối với thuỷ tinh có hàm lượng kim loại thấp, và có thể rất cần

để đạt được hệ số truyền dẫn đối với sự bức xạ đơn sắc và sau đó là toàn bộ quang

17


phổ. Nếu không có sự phụ thuộc đáng kể vào góc của hệ số truyền dẫn đơn sắc, hệ

số truyền dẫn của bức xạ tới là một sự phân phối quang phổ đuợc tính toán bởi

phương trình tương tự với phương trình sau.

(5.7.1)

Nếu có một góc phụ thuộc với , tổng hệ số truyền dẫn tại góc a có thể được viết

là:

(5.7.2)

Ở đây được tính bởi các phương trình của phần trước, sử dụng giá trị đơn sắc

với chỉ số sự khúc xạ và hấp thụ, và là cường độ của bức xạ hồng ngoại tới

tại toàn bộ hệ thống tấm nắp từ góc .

Nếu sự hấp thụ bức xạ mặt trời bởi một tấm hấp thụ là độc lập với bước sóng,

phương trình 5.5.1 có thể được sử dụng để tìm ra hệ số truyền dẫn- hấp thụ của sản

phẩm. Tuy nhiên, nếu cả hệ số truyền dẫn và hệ số hấp thụ năng lương mặt trời của

các tấm phẳng hấp thụ là những hàm của bước sóng và góc tới, phần được hấp thụ

bởi một tấm phẳng hấp thụ đuợc cho bởi phương trình.

18


(5.7.3)

Để tính được sự khúc xạ phức tạp theo cách giống nhau với phương trình 5.5.1,

cần thiết phải ước lượng sự phân bố quang phổ cho mỗi sự phản xạ và tích phân

toàn bộ mọi bước sóng. Không giống như là một phép tính ví dụ chưa bao giờ cần

thiết cho các hệ thống tấm thu năng lương mặt trời, bởi vì các sai sót bao gồm việc

sử dụng trực tiếp phưong trình 5.7.3 với phương trình 5.5.1 sẽ là rất nhỏ nếu như

gần như đơn nhất.

Trong toàn bộ một hệ thống trong đó các tấm nắp có đặc tính quan trọng phụ

thuộc bước sóng, sự phân bố quang phổ bức xạ mặt trời thay đổi như khi nó đi qua

các lớp tấm nắp. Ngược lại, nếu mọi tấm nắp là giống nhau, hệ số truyền dẫn của

riêng mỗi tấm nắp tăng lên theo khuynh hướng giống như sự gia tăng bức xạ tới.

Nếu như các tấm nắp là không giống nhau hoàn toàn, hệ số truyền dẫn của riêng

mỗi tấm nắp có thể tốt hơn hoặc kém hơn các tấm nắp tương tự trong hệ thống.

Phương trình 5.7.1 đến phương trình 5.7.3 giải thích cho hiện tượng này. Tại mọi

bước sóng , hệ số truyền dẫn là sản phẩm của các hệ số truyền dẫn đơn sắc của

riêng mỗi tấm bọc. Do đó với N tấm nắp

(5.7.4)

Nếu một hệ thống tấm nắp có một tấm nắp với những đặc tính riêng với bước

sóng (ví dụ thuỷ tinh) và một tấm nắp với những đặc tính riêng với bước sóng ( ví

dụ một vài loại nhựa), một phương pháp đơn giản có thể được sử dụng. Hệ số

truyền dẫn và hệ số phản xạ của mỗi tấn nắp có thể có được một cách riêng lẽ, hệ số

truyền dẫn và hệ số phản xạ của toàn hệ thống đạt được từ các phương trình 5.3.7 và

5.3.8.

Đối với mọi loại nhựa, hệ số truyền dẫn sẽ chỉ quan trọng trong quang phổ hồng

ngoại tại bước sóng > 3µ. Biểu đồ 5.7.2 chỉ ra đường cong biểu diễn hệ số truyền

dẫn đối với một tấm polyvinyl fluoride (“ Tedlar”) với bước sóng dài hơn 2.5µm.

19


Sự truyền bức xạ qua các lớp thuỷ tinh

2.8 Những ảnh hưởng của các lớp bề mặt lên hệ số truyền dẫn.

Nếu một tấm phẳng với chỉ số khúc xạ thấp thu được tại một bề dày quang học

/4 trên một miếng đá trong suốt, sự bức xạ với bước sóng khúc xạ từ phía trên

và phía dưới bề mặt của một tấm phẳng sẽ có một trạng thái khác biệt của và sẽ

bị huỷ bỏ. Hệ số phản xạ sẽ giảm , và hệ số truyền dẫn sẽ tăng lên tương đối đối với

vật liệu không được bao bọc. Đây là loại chính được sử dụng trong kính máy ảnh,

ống nhòm, và các dụng cụ quang học đắt tiền khác.

Quy trình không đắt tiền và cần được phát triển đối với việc xử lý thuỷ tinh để

làm giảm hệ số khúc xạ bằng sự gia tăng tấm phẳng có chỉ số khúc xạ giữa môi

trường không khí và môi trường truyền dẫn [ví dụ Thomsen (1951)]. Hệ số khúc xạ

năng lượng mặt trời của một tấm panel đơn của thuỷ tinh không được xử lý là xấp

xỉ 8%. Xử lý bề mặt, bằng việc ngâm thuỷ tinh trong dung dịch silica bão hòa axít

fluosilic, có thể giảm sự mất mát do khúc xạ đến 2%, và một lớp đôi bao bọc có thể

giảm sự mất mát do khúc xạ thấp hơn 1%. Sự gia tăng hệ số truyền dẫn năng lượng

mặt trời có thể làm nên một sự phát triển quan trọng trong việc phát triển các tấm

phẳng thu năng lượng mặt trời. Chú ý rằng không giống như các tấm thuỷ tinh

20


không được khử axít, cần thiết phải tích phân hệ số phản xạ đơn lên quang phổ mặt

trời để đạt được hệ số khúc xạ cho bức xạ mặt trời.

Dựa trên các kết quả thí nghiệm đối với góc phụ thuộc đối với sự truyền phát

năng lượng mặt trời cho tấm thuỷ tinh được hoặc không được xử lý axít. Không chỉ

những mẫu được axit hóa có hệ số truyền dẫn cao hơn mẫu không được axit hóa tại

góc tới, mà hệ số truyền dẫn còn giảm hơn tại các góc tới lớn hơn.

Thuỷ tinh được xử lý bằng cách làm giảm độ phát xạ của nó để sử dụng như

cách ly trong suốt để sử dụng trong các ứng dụng về kính. Các cách xử lý này chỉ

thay đổi hệ số truyền dẫn, trong nhiều trường hợp làm giảm hệ số truyền dẫn một

cách căn bản.

Hệ số truyền dẫn bức xạ mặt trời đối với thuỷ tinh được acid hoá và không

được acid hoá như là hàm của góc tới

2.9 Hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời.

Sự dự đoán về các tấm thu năng lượng mặt trời biểu diễn các thông tin yêu cầu

trên việc hấp thụ năng lượng mặt trời bởi các tấm phẳng hấp thụ năng lượng mặt

trời. Năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ nghiêng của tấm thu. Bức xạ mặt trời tới

có ba thành phần khác nhau phân bố trong không gian: bức xạ tia, bức xạ khuyếch

tán, và bức xạ phản xạ từ mặt đất, và mỗi phần phải được xử lí một cách riêng rẽ.

Chi tiết của phép tính phụ thuộc vào bức xạ khuếch tán bầu trời được sử dụng. Sử

dụng khái niệm khuếch tán đẳng hướng trên từng giờ. Hệ số hấp thụ và hệ số truyền

dẫn của sản phẩm xấp xỉ

(5.9.1)

Loại thuỷ

tinh

Góc tới

00 200 400 500 600 700 800

Được xử lý

acid0.941 0.947 0.945 0.938 0.916 0.808 0.562

Không

được xử lý

acid

0.888 0.894 0.903 0.886 0.854 0.736 0.468

21


Ở đây và là những hệ số từ tấm thu đến bầu trời và từ tấm

thu đến mặt đất, theo thứ tự. Giới hạn dưới b,d và g trình bày bức tia, bức xạ khuếch

tán, và bức xạ từ mặt đất. Ví dụ đối với một tấm thu đặt nghiêng,…. Phương trình

5.5.1 hoặc 5.5.2 có thể sử dụng để tìm và . Góc đối với bức xạ tia

được sử dụng để tìm . Một cách khác, có thể được tìm ra từ những đặc

tính của tấm nắp và bộ hấp thụ, hình 5.6.1 có thể được sử dụng tại góc tới thích hợp

đối với mỗi dòng bức xạ để xác định ba sản phẩm truyền dẫn hấp thụ.

Kết quả của phương pháp này là tổng kết theo ví dụ mà bức xạ mặt trời được hấp

thụ bởi tấm thu năng lượng mặt trời được tính

2.10 Bức xạ hấp thụ trung bình hằng tháng.

Các phương pháp ước lượng biểu diễn hệ thống mặt trời giới hạn dài đòi hỏi bức

xạ hấp thụ trung bình bởi bộ thu có giá trị có giá trị trong thời gian hàng tháng. Hệ

số truyền dẫn và hấp thụ của mặt trời là hai hàm của góc mà bức xạ mặt trời tới bộ

thu. Việc tính toán có thể được lập lại cho mỗi giờ của mỗi ngày trong tháng, từ đó

tìm ra bức xạ mặt trời hấp thụ trung bình tháng được. Klein (1979) đã tính toán bức

xạ mặt trời hấp thụ hàng tháng bằng cách dùng dữ liệu nhiều năm. Ông xác định

một sản phẩm truyền - hấp thụ nhiệt hàng tháng mà khi nhân với bức xạ trung bình

tháng tác động lên năng suất một bộ thu bức xạ hấp thụ trung bình tháng :

(5.10.1)

Phương pháp sau đây tương tự như giá trị tính toán theo từng giờ của S, có thể dùng

để tìm .

Dùng cách giả định tán xạ đẳng hướng, ta c ó phương trình

(5.10.2)

Đối với tán xạ và phản xạ mặt đất, và có thể tính toán sử dụng góc tới

làm việc cho trên hình 5.4.1. Có nhiều hàm về thuộc tính của tấm nắp và bộ thu và

, bộ thu nghiêng, do đó không làm thay đổi thời gian đối với bộ thu đặt ở góc ổn

22


định . Giá trị hàng giờ và hàng tháng theo đó là giống nhau và chúng có thể được

viết ra khi có hay không overbars

Đối với tia bức xạ trung bình tháng, Klein (1979) đã tính toán lượng trung bình

tháng (đương lượng) tia tới với góc là 1 hàm của bộ thu nằm nghiêng, tháng, vĩ

độ và góc phương vị. Chúng được chỉ ra trong hình 5.10.1(a-f). Các giá trị của đã

được đánh giá sử dụng góc phân phối chỉ ra trong hình 5.6.1.

Phương trình Klein và Theilacker cũng có thể chỉ dùng để tính , sản phẩm

. Với mỗi phương trình bao gồm 3 thành phần: thứ nhất là tích , thứ hai

là , và thứ ba là , đã được chỉ ra ở phương trình 5.10.2. Đối với bề mặt mà

góc phương vị lớn hơn 00 (hoặc 1800 ở bán cầu nam) nên dùng phương trình 2.20.5a

Hấp thụ bức xạ, MJ/m2

ThángTrực xạ

Khuyếch tán

Phản xạ

1 6.63 0.44 10.84 0.72 6.03 0.95 0.62 7.60 0.70

2 9.77 0.48 12.59 0.69 6.28 1.27 0.92 8.47 0.67

3 12.97 0.47 11.65 0.63 1.25 1.85 1.22 7.32 0.63

4 17.2 0.50 11.03 0.51 2.41 2.33 1.62 6.36 0.50

5 21.17 0.53 10.59 0.38 1.22 2.64 1.99 5.84 0.56

6 23.80 0.57 10.52 0.26 0.68 2.72 2.23 5.63 0.57

7 23.36 0.57 10.79 0.27 0.83 2.64 1.19 5.66 0.52

8 20.20 0.56 11.69 0.44 2.11 2.39 1.92 6.42 0.54

9 16.50 0.55 13.18 0.59 4.45 1.98 1.55 7.98 0.64

10 12.13 0.54 14.23 0.67 6.72 1.49 1.14 9.35 0.61

11 7.68 0.47 12.09 0.72 6.70 1.02 0.72 8.44 0.76

12 5.57 0.40 9.46 0.72 5.22 0.86 0.52 6.61 0.74

Đối với nh ững bộ thu tại bề mặt xích đạo. Klein (1976) tìm thấy rằng có thể

xấp xỉ bằng được tính tại góc tới xảy ra 2.5 giờ từ buổi trưa lên trung bình các

ngày của tháng. Quy tắc này dẫn tới những kết quả chấp nhận được cho hệ thống

sưởi năng lượng mặt trời trong đó nó được suy ra, còn những kết quả không chính

xác đạt được đối với những kiểu hay những hệ thống khác. Kein cũng tìm thấy giá

trị của trong những tháng mùa đông gần như không thay đổi và bằng 0.96

23


đối với bộ thu năng lượng mặt trời một tấm nắp và đề xuất sử dụng giá trị này một

cách rông rãi đối với bộ thu đặt nằm nghiêng về phía đường xích đạo với một góc

xấp xỉ bằng phạm vi cộng với 150 trong việc phân tích hệ thống sưởi. Đối với bộ thu

năng lượng có hai tấm nắp đề xuất giá trị không đổi là 0.94.

24


25


Biểu đồ: Hàng tháng cho góc tới cho chùm tia bức xạ đối với những bề mặt gần

đường xích đạo trong bán cầu Bắc. Đối với bán cầu miền nam, sự xen kẽ của hai

đường không bằ. Từ Klein (1979)

Đây là đồ thị hữu dụng để có thể tính từ và thông tin của trong

hình, ở đây được định nghĩa bởi phường trình 5.10.1. Chia cho , ta có:

(5.10.3)

Phương trình thích hợp cho được thay thế trong mối quan hệ này để cung cấp một

phương trình làm việc hiệu quả. Nếu sử dụng mô hình đẳng hướng ta có phương

trình:

(5.10.4)

Ở phương trình trên, tỉ lệ đạt được đối với thành phần trực xạ tại góc tới

hiệu quả và đối với thành phần khuyếch tán từ mặt đất tại góc tới hiệu quả .

2.11 Hệ số hấp thụ trong phòng

Nhiệt mặt trời thu được trực tiếp phụ thuộc vào sự hấp thu bức xạ mặt trời trong

phòng trên vùng mặt trời là những lỗ chứa với những khe hở (cửa sổ) được bao

trùm với một hay nhiều tấm kính. Công thức có thể được sửa đổi để cung cấp đối

với những phần của năng lượng mặt trời bị hấp thu ví dụ một thiết bị thu bức xạ tới

trên lắp kính

Ở đây là hệ số truyền dẫn của tấm kính đối với sự bức xạ mặt trời, là hệ số

truyền dẫn của tấm kính đối với bức xạ mặt trời khuyếch tán đẳng hướng (Bức xạ

mặt trời được phản xạ từ những lỗ bên trong của tường), tại một góc tới hiệu quả

khoảng 600; là diện tích độ mở (cửa sổ); là diện tích bên trong của phòng; và

26


là hệ số hấp thụ cho sự bức xạ khuếch tán bên trong bề mặt của lỗ. Một phòng có

thể có bề mặt khác nhau trên sàn nhà, tường, trần, và đồ đạc, do đó trị số trung bình

của có thể được sử dụng.

*Tổng kết

Chương này bao gồm một số phương pháp tính toán các tham số quan trọng. Với

mục đích tính toán bức xạ hấp thu trên bề mặt hướng về đường xích đạo hoặc gần

như vậy, gợi ý các bức xạ hấp thụ hàng giờ ước tính đầy đủ theo công thức 5.9.1 và

và bưc xạ hấp thu hang tháng theo công thức 5.10.2 (cả hai dựa trên cơ sở các mô

hình đẳng hướng ). (Mô hình HDKR Cho S hầu dễ dàng đối với việc sử dụng khi

đẳng hướng, dẫn tới thận trọng hơn khi ước lượng S, và là một sự thay thế hữu ích).

Đối với những bề mặt khác hướng về phía đường xích đạo (chẳng hạn, để tính toán

sự bức xạ mùa đông trên cửa sổ giáp mặt bắc), những mô hình dị hướng cần phải

được sử dụng.

27


Tài liệu tham khảo

1. TS. Hoàng Dương Hùng - Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng –

Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật - năm 2007.

2. Giáo trình Năng lượng mặt trời và các ứng dụng

3. Brandemuel. M. J and W.A. Beckman. Solar energy, 24,511 (1980) -

Transmission of diffuse Radiation Through CPC and Collector Glazing.

4. Diezt, A.G.H., in Space heating with Solar Energy ( R.W. Harmilton, ed.)

Massachuset Instute of Technology Press, Cambridge, MA (1954).

“Diathermanous Material and Propertites on Surface ”.

5. Whillier, A., Solar Energy, 7, 148 (1963). “ Plastic Covers for Solar

Collectors”.

28

truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng

Documents