36
2.3.6. Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ (DA)
Tích số DA của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ đợc xem nh ký hiệu
biểu diễn tính chất của một tổ hợp bộ thu và kính (DA). Trong số bức xạ xuyên
qua kính và tới bề mặt bộ thu, một phần lại bị phản xạ trở lại hệ thống kính.
Tuy nhiên, không phải tất cả lợng bức xạ này bị mất đi mà một phần lớn trong
số đó lại đợc phản xạ trở lại bộ thu nhờ hiệu ứng lồng kính (nh biểu diễn
trong hình 2.13), trong đó D là hệ số truyền qua của hệ thống kính và A là hệ số
hấp thụ của bề mặt bộ thu.
Nh vậy trong số năng lợng tới, DA là phần sẽ đợc bộ thu hấp thụ, còn
(1-A)D là phần bị phản xạ trở lại hệ thống kính che. Sự phản xạ này đợc giả
thiết là khuếch tán và nh vậy phần năng lợng (1- A)D tới tấm phủ là bức xạ
khuếch tán và (1- A).D.R
d
là phần đợc phản xạ trở lại bề mặt bộ thu. Đại lợng
R
d
là hệ số phản xạ của hệ thống kính đối với bức xạ khuếch tán từ bề mặt bộ
thu và có thể xác định từ phơng trình R
d
= D
a
(1-D
r
) = D
a
- D nh độ chênh
lệch giữa D
a

và D ở góc tới 60
0
. Nếu hệ thống kính gồm 2 lớp (hay nhiều lớp)
thì R
d
sẽ hơi khác so với độ phản xạ khuếch tán của bức xạ tới. Sự phản xạ
nhiều lần đối với bức xạ khuếch tán sẽ tiếp tục để cho phần năng lợng tới đợc
hấp thụ có trị số:

() ( )
[]
()


=

==
0
11
1
n
d
n
d
RA
DA
RADADA

D
D(1-)R

22
D
(1-)D
(1-
)DR
(1-
) DR
(1-
) DR
2
2
D(1-) R
2
d
d
d
d
d
Bức xạ mặt trời đến
Hệ thống lớp kính
Bề mặt hấp thụ

Hình 2.13. Quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính


37
Nói khác đi, sẽ có (DA) phần năng lợng bức xạ truyền tới đợc bề mặt hấp thụ
bộ thu.
Trong thực tế A khá lớn và R
d

khá nhỏ nên một cách gần đúng ngời ta
thờng xác định:
(DA) = 1,01 . D . A
Do D và A phụ thuộc góc tới nên đơng nhiên tích số (DA) cũng phụ
thuộc góc tới . Để xác định quan hệ giữa (DA) và có thể sử dụng đồ thị ở
hình 2.14, trong đó (DA)
n
là tích số (DA) ứng với trờng hợp tia tới vuông góc
với bề mặt bộ thu ( = 0).


2.3.7. Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ đợc của bộ thu
Năng lợng bức xạ mặt trời đợc bộ thu hấp thụ gồm 3 thành phần
chính: trực xạ, tán xạ, phản xạ của mặt đất. Với bộ thu đặt nghiêng một góc ta
có tổng bức xạ mặt trời hấp thụ của bộ thu nh sau:

() () ()()







++







+
+=
2
cos1
2
cos1

g
dbd
d
d
b
bb
DAEERDAEDABES
E
b
, E
d
là cờng độ bức xạ trực xạ và tán xạ,
010203040
50
60
70 80 90
0
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
n
( )
o
Số lớp kính 1
2
3
4
(D
)
(D)
Hình 2.14. Đờng cong (DA)/(DA)
n
của bộ thu có 1,2,3,4 lớp kính.


38
B
b
là tỷ số giữa bức xạ trực xạ lên mặt phẳng nghiêng và lên mặt phẳng
nằm ngang,
(1+cos)/2 và (1-cos)/2 là hệ số góc của bộ thu đối với tơng ứng bầu
trời và mặt đất,
(DA)
b
, (DA)

d,
(DA)
g
là tích số hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ tơng
ứng đối với trực xạ, tán xạ và phản xạ từ mặt đất.

2.4. Cân bằng nhiệt và nhiệt độ cân bằng của vật thu bức xạ mặt trời
Nhióỷt õọỹ cỏn bũng cuớa vỏỷt thu bổùc xaỷ mỷt trồỡi laỡ nhióỷt õọỹ ọứn õởnh trón
bóử mỷt vỏỷt, khi coù sổỷ cỏn bũng giổợa cọng suỏỳt bổùc xaỷ vỏỷt hỏỳp thuỷ õổồỹc vaỡ cọng
suỏỳt nhióỷt phaùt tổỡ vỏỷt ra mọi trổồỡng.
Nhióỷt õọỹ cỏn bũng chờnh laỡ nhióỷt õọỹ lồùn nhỏỳt maỡ vỏỷt coù thóứ õaỷt tồùi sau
thồỡi gian thu bổùc xaỷ mỷt trồỡi õaợ lỏu, khi U cuớa vỏỷt = 0.
Nhióỷt õọỹ cỏn bũng cuớa vỏỷt thu bổùc xaỷ mỷt trồỡi laỡ nhióỷt õọỹ ọứn õởnh trón
bóử mỷt vỏỷt, khi coù sổỷ cỏn bũng giổợa cọng suỏỳt bổùc xaỷ vỏỷt hỏỳ
p thuỷ dổồỹc vaỡ cọng
suỏỳt nhióỷt phaùt tổỡ vỏỷt ra mọi trổồỡng.
Ta seợ lỏỷp cọng thổùc
tờnh nhióỷt õọỹ cỏn bũng T
cuớa vỏỷt V coù dióỷn tờch
xung quanh F, hóỷ sọỳ hỏỳp
thuỷ A, hóỷ sọỳ bổùc xaỷ õỷt
trong chỏn khọng caùch mỷt
trồỡi mọỹt khoaớng r coù dióỷn
tờch hổùng nừng F
t
, laỡ hỗnh
chióỳu cuớa F lón mỷt phúng
vuọng goùc tia nừng, hay
chờnh laỡ dióỷn tờch caùi
boùng cuớa V. Phổồng trỗnh

cỏn bũng nhióỷt cho V coù
daỷng:
Cọng suỏỳt do V hỏỳp thuỷ
= Cọng suỏỳt phaùt bổùc xaỷ tổỡ
V.
Hay: A.E
t
.F
t
= E.F A.
0
.T
0
4
(D/2r)
2
.F
t
= .
0
.T
0
4
F . Suy ra:
T(r, F
t
, F, A, ) =
4
1
2

1
0
2












F
AF
r
D
T
t

, [K]
Ft
MT TRèI
D, To
T, F, A,

r
Ft()

F, V, A, C, ,
t()
E()
tf

MT


Hỗnh 2.15. Xaùc õởnh T vaỡ t ()


39
Nóỳu V laỡ vỏỷt xaùm, coù A = , thỗ T(r, F
t
, F) =
4
1
2
1
0
2













F
F
r
D
T
t
, [K]
Nóỳu V laỡ vỏỷt xaùm hỗnh cỏửu, coù F
t
/F=1/4, thỗ T(r) =
r
D
T
0
2
1
, [K]
Nóỳu vỏỷt V coù thọng sọỳ (, C, , A, F, V) õỷt trong khờ quyóứn nhióỷt õọỹ t
f
,
toaớ nhióỷt phổùc hồỹp hóỷ sọỳ , thỗ phổồng trỗnh cỏn bũng nhióỷt trong thồỡi gian d
cho V la ỡ:
Q
A
= dU + Q



hay A.E
n
.sin(.).F
t
().d = .V.C.dt + .F.(t - t
f
) .d
coù daỷng
)sin()(




t
m
F
VC
AE
VC
F
t
d
dt
=+
Khi bióỳt luỏỷt thay õọứi dióỷn tờch thu nng F
t
(), coù thóứ giaới phổồng trỗnh vi
phỏn vồùi õióửu kióỷn õỏửu t( = 0) = t
f
õóứ tỗm haỡm bióỳn õọứi t() cuớa nhióỷt õọỹ vỏỷt

theo thồỡi gian.

2.5. Đo cờng độ bức xạ mặt trời.
Ngoài phơng pháp xác định cờng độ bức xạ mặt trời tại một điểm bất
kỳ dựa trên vị trí địa lý (độ cao mặt trời trời) nh trên, trong thực tế ngời ta đã
chế tạo các dụng cụ đo cờng độ bức xạ mặt trời (pyrheliometer, actinometer -
đo bức trực xạ, và pyranometer, Solarimeter- đo tổng xạ ).






















Trực xạ kế - Pyrheliometer

Nhật xạ kế - P
y
ranomete
r



Đầu đo - Sensor


49
Chơng 4: TíNH TOáN THIếT Bị Sử DụNG
năng lợng Mặt trời
4.1. Bếp năng lợng mặt trời
4.1.1. Cấu tạo bếp NLMT
Hình 4.1. Cấu tạo bếp nấu NLMT
1- Hộp ngoài 2 - Mặt phản xạ
3- Nồi 4- Nắp kính trong
5- Gơng phẳng phản xạ
6- Bông thủy tinh 7- Đế đặt nồi

Bếp NLMT đợc thiết kế nh hình
vẽ, hộp ngoài của bếp đợc làm bằng
khung gỗ hình khối hộp chữ nhật bên
ngoài đóng 1 lớp ván ép, phía trong là
mặt nhôm đợc đánh bóng để phản xạ,
biên dạng của mặt phản xạ đợc thiết kế
là mặt kết hợp của các parabol tròn xoay
(hình 4.1) sao cho nồi nấu có thể nhận
đợc chùm tia trực xạ của ánh sáng mặt trời và chùm phản xạ từ gơng phẳng khi

đặt cố định, gơng phản xạ có thể gấp lại khi không dùng, giữa mặt phản xạ và hộp
ngoài là lớp bông thủy tinh cách nhiệt, phía trên bếp có một nắp kính nhằm cách
nhiệt và tạo hiệu ứng lồng kính.
4.1.2. Tính toán thiết kế bếp









Hình 4.2. Kích thớc của bếp
1
2
3
6
7
5
4
70
A
H
a
d2
d1
a
h
A-A

a
A


50
Bếp gồm mặt kính nhận nhiệt có đờng kính d
2
, hệ số truyền qua D, gơng
phản xạ có hệ số phản xạ R
g
, mặt phản xạ parabol có hệ số phản xạ R
p
, nồi nấu làm
bằng Inox sơn đen có hệ số hấp thụ , đờng kính d
1
, chiều dày
o
, khối lợng
riêng
o
, nhiệt dung riêng C, chiều cao h, chứa đầy nớc có nhiệt dung riêng C
p
,
khối lợng riêng
n
. Do mặt phẳng qũy đạo của mặt trời tại Đà Nẵng và Quảng
Nam nghiêng một góc khoảng 20
o
so với mặt thắng đứng nên tính toán cho góc tới
= 70

o
. Cờng độ bức xạ mặt trời lấy trung bình lúc nấu (11h-12h) ở tỉnh Quảng
Nam là E

= 940W/m
2
.
Trong khoảng thời gian bếp sẽ thu từ mặt trời 1 lợng nhiệt bằng Q
1
:
Q
1
= .E.sin .F. , [J].
trong đó F = [D.F
1
+ R
g
.D.F
1
+ R
p
.D.F
2
+ R
p
.R
g
.D.F
2
]

F
1

4
2
1
d

, F
2
=
4
2
2
d

- F
1
,

Lợng nhiệt nhận đợc của bộ thu Q
1
dùng để:
- Làm tăng nội năng của nồi U = m
o
.C.(t
s
- t
o
)

- Làm tăng entanpy nớc I
m
= m
n
.C
P
(t
s
- t
o
)
- Tổn thất ra môi trờng xung quanh Q
2
trong đó m = d
1
.h.
o
.
o
+ 2.
o
.
o
.
4
2
1
d

[kg], m =

4
2
1
d

.h.
n
[kg],
Do nồi đợc đặt trên đế có diện tích tiếp xúc nhỏ và có vỏ bọc cách nhiệt
bên ngoài nên có thể xem Q
2
0.
Vậy ta có phơng trình cân bằng nhiệt cho bếp:
Q
1
= m
o
.C.(t
s
- t
o
) + m
n
.C
P
(t
s
- t
o
)

Hay: .E.sin. F. =(d
1
.h.
o
.
o
+ 2.
o
.
o
.
4
2
1
d

) C.(t
s
- t
o
) +
4
2
1
d

.h.
n
C
P

(t
s
- t
o
)
Thay các giá trị : E = 940 W/m
2
, = 0,9 , =70
o
, D = 0,9, R
g
=0,9 , R
p
= 0,9,

o
=0,001m,
o
=7850kg/m
3
, t
s
= 100
o
C, t
o
= 25
o
C, C = 460 J/kgđộ,


n
= 1000kg/m
3
, C
p
= 4200J/kgđộ , d
1
= 0,25m, h= 0,2m , tính đợc
m =1,75kg m
n
=9,8kg
=> F. = 3884 hay (1,22d
2
2
+0,08) . = 3884


51
Quan hệ giữa đờng kính mặt nhận nhiệt d
2
và thời gian : d
2
() đợc biểu diễn
trên hình 3.3.
Từ quan hệ này có thể
tính đợc đờng kính
mặt thu theo thời gian
yêu cầu.
Ví dụ:
nếu = 1h =3600s thì

ta có d
2
= 0,8m, tức là
nếu d
2
= 0,8m thì ta có
thể đun sôi 9,8 kg nớc
trong thời gian 1h.
Trong thực tế đã chế
tạo bếp nấu có kích
thớc nh trên và đã
đun sôi 9 lít nớc sau 55 phút. Phơng pháp tính toán trên đã đợc áp dụng để thiết
kế, chế tạo các loại bếp với nồi nấu có dung tích từ 2 đến 10 lít để triển khai ứng
dụng vào thực tế.

4.1. Bộ thu năng lợng mặt trời để cấp nớc nóng
4.2.1. Bộ thu phẳng
4.2.1.1. Cấu tạo và phân loại bộ thu phẳng











1

2
3
4
5
6
7
8
a
b

0 2000 4000 6000 8000 1 10
4
1
2
3
4
5
6
Thời gian [s]
Đờng kính mặt thu [m]
5.103076
0.455195
d2
.
110
4100


Hình 4.3. Đồ thị quan hệ d
2

(

)
H
ỗnh 4.4. Cỏỳu taỷo Collecto
r

hỏỳp thuỷ nhióỷt
1- Lồùp caùch nhióỷt,
2- Lồùp õóỷm tỏỳm phuớ trong suọỳt,
3- Tỏỳm phuớ trong suọỳt,
4 - ổồỡng nổồùc noùng ra,
5 - Bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt,
6- Lồùp tọn boỹc,
7- ổồỡng nổồùc laỷnh vaỡo,
8- Khung õồớ Collector



52
Khọng thóứ coù mọỹt kióứu Collector naỡo maỡ hoaỡn haớo vóử moỹi mỷt vaỡ thờch hồỹp
cho moỹi õióửu kióỷn, tuy nhión tuỡy theo tổỡng õióửu kióỷn cuỷ thóứ chuùng ta coù thóứ taỷo cho
mỗnh mọỹt loaỷi Collector hồỹp lyù nhỏỳt. Trong caùc bọỹ phỏỷn cỏỳu taỷo nón Colletor, bọỹ
phỏỷn quan troỹng nhỏỳt vaỡ coù aớnh hổồớng lồùn õóỳn hióỷu quớa sổớ duỷng cuớa Collector laỡ
bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt. Sau õỏy laỡ mọỹt sọỳ so saùnh cho vióỷc thióỳt kóỳ vaỡ chóỳ taỷo bóử mỷt
hỏỳp thuỷ nhióỷt cuớa Collector maỡ thoớa maợn mọỹt sọỳ chố tióu nhổ: giaù thaỡnh, hióỷu quaớ
hỏỳp thuỷ vaỡ mổùc õọỹ thuỏỷn tióỷn trong vióỷc chóỳ taỷo.
Sau õỏy laỡ
3 mỏựu Collector coù bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt õồn giaớn, hióỷu quaớ hỏỳp
thuỷ cao coù thóứ chóỳ taỷo dóự daỡng ồớ õióửu kióỷn Vióỷt nam.


Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt
daỷng hỗnh rừn
Tỏỳm hỏỳp thuỷ
Voỡng dỏy gừn bóử mỷt
hỏỳp thuỷ vaỡo tỏỳm hỏỳp thuỷ
d
Hỗnh 4.5. Bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt daỷng
ọỳng hỗnh rừn gừn trón tỏỳm hỏỳp thuỷ
Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt
daỷng daợy ọỳng
Tỏỳm hỏỳp thuỷ
Hỗnh 4.6. Daới tỏỳm hỏỳp thuỷ õổồỹc õan xen
vaỡo bóử mỷt hỏỳp thuỷ daỷng daợy ọỳng
Hai tỏỳm gừn vồùi nhau
bũng caùch duỡng ọỳc vờt
hay haỡn õờnh
Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt
daỷng tỏỳm
c vờt coù lồùp õóỷm
Mọỳi haỡn õờnh

Hỗnh 4.7. Bóử mỷt hỏỳp thuỷ daỷng tỏỳm


53
Sau khi thiãút kãú chãú tảo, âo âảc tênh tọan v kiãøm tra so sạnh ta thu âỉåüc
bng täøng kãút sau:



Loải bãư màût
háúp thủ
Dảng äúng
hçnh ràõn
Dảng dy äúng Dảng dy
äúng
Dảng táúm
Cạch gàõn våïi
táúm háúp thủ
Âan xen
vo nhau
Dng vng
dáy kim loải
Âan xen
vo nhau
Hn âênh
Hiãûu sút
háúp thủ nhiãût
Gim 10% Gim 10% Chøn Bàòng chøn
Giạ ca váût liãûu
v nàng lỉåüng ctảo
Gim 4% Tàng 2% Chøn Tàng 4%
Thåìi gian cáưn
gia cäng chãú tảo
Gim 20% Gim 10% Chùn Tàng 50%

Tỉì cạc kãút qu kiãøm tra v so sạnh åí trãn ta cọ thãø rụt ra mäüt säú kãút lûn
nhỉ sau:
1- Loải bãư màût háúp thủ dảng dy äúng cọ kãút qu thêch håüp nháút vãư hiãûu sút
háúp thủ nhiãût , giạ thnh cng nhỉ cäng v nàng lỉåüng cáưn thiãút cho viãûc

chãú tảo. Tuy nhiãn nãúu trong trỉåìng håüp khäng cọ âiãưu kiãûn âãø chãú tảo
thç chụng ta cọ thãø chn loải bãư màût háúp thủ dảng hçnh ràõn. Bãư màût háúp
thủ dảng táúm cng cọ kãút qu täút nhỉ loải dảng dy äúng nhỉng âi hi
nhiãưu cäng v khọ chãú tảo hån.
2- Táúm háúp thủ âỉåü
c gàõn vo äúng háúp thủ bàòng cạch âan xen tỉìng dỵi nh
l cọ hiãûu qu nháút. Ngoi ra táúm háúp thủ cọ thãø gàõn vo äúng háúp thủ
bàòng phỉång phạp hn, våïi phỉång phạp ny thç hiãûu qu háúp thủ cao
hån nhỉng máút nhiãưu thåìi gian v giạ thnh cao hån.

4.2.1.2. Tênh toạn bäü thu phàóng
Kho sạt panel màût tråìi våïi häüp thu kêch thỉåïc axbxδ, khäúi lỉåüng m
o
, nhiãût
dung riãng C
o
âỉåüc lm bàòng thẹp dy δ
t
, bãn trong gäưm cháút lng ténh cọ khäúi
lỉåüng m, v lỉu lỉåüng G[kg/s] chy liãn tủc qua häüp. Xung quanh häüp thu bc 1
låïp cạch nhiãût, ta nhiãût ra khäng khê våïi hãû säú α. Phêa trãn màût thu F
1
= ab våïi âäü
âen ε l 1 låïp khäng khê v 1 táúm kênh cọ âäü trong D. Chiãưu dy v hãû säú dáùn nhiãût
ca cạc låïp ny l δ
c
, δ
k
, δ
K

v λ
c
, λ
k
, λ
K
.
Cỉåìng âäü bỉïc xả màût tråìi tåïi màût kênh tải thåìi âiãøm τ l E(τ) = E
n
sinϕ(τ , våïi
ϕ(τ ) =

ωτ l gọc nghiãng ca tia nàõng våïi màût kênh, ω = 2π /τ
n
v τ
n
= 24 x 3600s
l täúc âäü gọc v chu k tỉû quay ca trại âáút, E
n
l cỉåìng âäü bỉïc xả cỉûc âải trong