Chöông 4
Chöông 4


COLLECTOR TAÁM PHAÚNG
COLLECTOR TAÁM PHAÚNG


(Flat Plate Solar Collector)
(Flat Plate Solar Collector)

4.1. Đặc điểm chung
4.1. Đặc điểm chung

Thường được lắp cố đònh (không quay theo mặt
Thường được lắp cố đònh (không quay theo mặt
trời).
trời).

Một cách tổng quát, nên đặt theo hướng bắc-
Một cách tổng quát, nên đặt theo hướng bắc-
nam, hoặc gần hướng bắc-nam.
nam, hoặc gần hướng bắc-nam.

Nên đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang.
Nên đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang.


Có thể nhận tia trực xạ và tia khuếch tán.
Có thể nhận tia trực xạ và tia khuếch tán.

Thường làm việc với
Thường làm việc với
nước
nước
hoặc
hoặc
không khí
không khí
ở
ở
mức nhiệt độ không cao.
mức nhiệt độ không cao.

Dễ gia công, chế tạo.
Dễ gia công, chế tạo.

4.2. Cấu tạo
4.2. Cấu tạo
Ống dẫn chất làm việc
Tấm phủ trong suốt 1
Tấm phủ trong suốt 2
Bề mặt hấp thụ
Cách nhiệt


Các thành phần cơ bản
Các thành phần cơ bản


Tấm phủ trong suốt.
Tấm phủ trong suốt.

Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời.
Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời.

Rãnh dẫn chất làm việc.
Rãnh dẫn chất làm việc.

Lớp cách nhiệt.
Lớp cách nhiệt.

4.2.1. Tấm phủ trong suốt
4.2.1. Tấm phủ trong suốt

Được làm bằng thủy tinh hay bằng các loại vật
Được làm bằng thủy tinh hay bằng các loại vật
liệu trong suốt khác.
liệu trong suốt khác.

Nhiệm vụ cơ bản của các tấm này là tạo ra
Nhiệm vụ cơ bản của các tấm này là tạo ra
hiệu ứng nhà kính
hiệu ứng nhà kính
(Greenhouse Effect) để làm
(Greenhouse Effect) để làm
giảm bớt tổn thất năng lượng bức xạ từ bề mặt
giảm bớt tổn thất năng lượng bức xạ từ bề mặt
làm việc của Collector ra ngoài môi trường,

làm việc của Collector ra ngoài môi trường,
đồng thời góp phần hạn chế bớt tổn thất nhiệt
đồng thời góp phần hạn chế bớt tổn thất nhiệt
do hiện tượng đối lưu.
do hiện tượng đối lưu.

Tất nhiên các tấm phủ này phải có độ trong
Tất nhiên các tấm phủ này phải có độ trong
suốt tốt để có thể cho các tia bức xạ xuyên qua
suốt tốt để có thể cho các tia bức xạ xuyên qua
ở mức độ tối đa.
ở mức độ tối đa.


Tùy theo mức nhiệt độ làm việc của Collector
Tùy theo mức nhiệt độ làm việc của Collector
mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N.
mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N.

Nói chung, khi nhiệt độ làm việc càng cao thì
Nói chung, khi nhiệt độ làm việc càng cao thì
N nên càng lớn, giá trò phổ biến của N là từ 1
N nên càng lớn, giá trò phổ biến của N là từ 1
đến 2.
đến 2.

Trong một vài trường hợp có thể người ta
Trong một vài trường hợp có thể người ta
không cần dùng đến tấm phủ.
không cần dùng đến tấm phủ.



Tấm phủ phải đảm bảo được độ bền, độ trong
Tấm phủ phải đảm bảo được độ bền, độ trong
suốt đối với các tia bức xạ và lâu xuống cấp.
suốt đối với các tia bức xạ và lâu xuống cấp.



Kính chòu nhiệt
Kính chòu nhiệt
là loại vật liệu thường được dùng
là loại vật liệu thường được dùng
để làm tấm phủ, loại vật liệu này còn có ưu điểm
để làm tấm phủ, loại vật liệu này còn có ưu điểm
khác là khả năng ngăn cản đáng kể sự xuyên qua
khác là khả năng ngăn cản đáng kể sự xuyên qua
của các tia bức xạ sóng dài. Ngoài kính chòu
của các tia bức xạ sóng dài. Ngoài kính chòu
nhiệt, người ta còn dùng các tấm
nhiệt, người ta còn dùng các tấm
plastic
plastic
trong
trong
suốt để làm tấm phủ, vật liệu thích hợp thường
suốt để làm tấm phủ, vật liệu thích hợp thường
được dùng là
được dùng là
Ascrylic Polycarbonate Plastics

Ascrylic Polycarbonate Plastics
.
.

So với kính thì tuổi thọ và độ trong suốt của
So với kính thì tuổi thọ và độ trong suốt của
plastic kém hơn do plastic có khả năng bò lão hóa
plastic kém hơn do plastic có khả năng bò lão hóa
nhanh hơn dưới tác động của các tia cực tím. Tuy
nhanh hơn dưới tác động của các tia cực tím. Tuy
nhiên, ưu điểm của plastic là khó vỡ, rẻ tiền và
nhiên, ưu điểm của plastic là khó vỡ, rẻ tiền và
khối lượng riêng bé.
khối lượng riêng bé.


Các loại kính và plastic được dùng làm tấm
Các loại kính và plastic được dùng làm tấm
phủ có hệ số khúc xạ (Refractive Index)
phủ có hệ số khúc xạ (Refractive Index)
khoảng chừng 1,5.
khoảng chừng 1,5.

Thông thường bề mặt của các vật liệu làm tấm
Thông thường bề mặt của các vật liệu làm tấm
phủ đã được xử lý để hạn chế hiện tượng phản
phủ đã được xử lý để hạn chế hiện tượng phản
xạ, tuy vậy hệ số phản xạ của các tấm phủ
xạ, tuy vậy hệ số phản xạ của các tấm phủ
đang được dùng ứng với các tia bức xạ có góc

đang được dùng ứng với các tia bức xạ có góc
tới bé vẫn còn khá cao, vào khoảng 0,08.
tới bé vẫn còn khá cao, vào khoảng 0,08.

Như vậy, hệ số xuyên qua tối đa của hầu hết
Như vậy, hệ số xuyên qua tối đa của hầu hết
các tấm phủ là 0,92.
các tấm phủ là 0,92.


Nếu gia tăng số lượng tấm phủ thì hệ số xuyên qua sẽ
Nếu gia tăng số lượng tấm phủ thì hệ số xuyên qua sẽ
càng giảm.
càng giảm.

Ngoài ra, chính hiện tượng hấp thụ của vật liệu làm tấm
Ngoài ra, chính hiện tượng hấp thụ của vật liệu làm tấm
phủ cũng làm cho lượng bức xạ thật sự xuyên qua tấm
phủ cũng làm cho lượng bức xạ thật sự xuyên qua tấm
phủ bò giảm đi.
phủ bò giảm đi.

Trong trường hợp của kính, người ta thấy hệ số xuyên qua
Trong trường hợp của kính, người ta thấy hệ số xuyên qua
kính còn chòu ảnh hưởng của
kính còn chòu ảnh hưởng của
hàm lượng sắt
hàm lượng sắt
có trong kính.
có trong kính.


Khi nhìn vào cạnh bên (nhìn theo hướng bề dày của kính),
Khi nhìn vào cạnh bên (nhìn theo hướng bề dày của kính),
nếu kính nghiêng về
nếu kính nghiêng về
màu xanh lá cây
màu xanh lá cây
thì hàm lượng sắt có
thì hàm lượng sắt có
trong kính càng nhiều, điều đó làm cho hệ số xuyên qua
trong kính càng nhiều, điều đó làm cho hệ số xuyên qua
kính càng bò giảm. Do kính là loại dễ vỡ, không nên chọn
kính càng bò giảm. Do kính là loại dễ vỡ, không nên chọn
kính có bề dày nhỏ hơn 3,5
kính có bề dày nhỏ hơn 3,5
mm
mm
để làm tấm phủ.
để làm tấm phủ.




Thaỷo luaọn
Thaỷo luaọn
HIEU ệNG NHAỉ KNH???
HIEU ệNG NHAỉ KNH???

4.2.2. Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời
4.2.2. Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời


Là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền
Là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền
lại cho chất làm việc, thông thường bề mặt này
lại cho chất làm việc, thông thường bề mặt này
được sơn
được sơn
màu đen
màu đen
.
.

Để gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ
Để gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ
mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược lại từ bề
mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược lại từ bề
mặt hấp thụ thì người ta có thể dùng các loại
mặt hấp thụ thì người ta có thể dùng các loại
sơn chuyên dùng để tạo nên
sơn chuyên dùng để tạo nên
bề mặt hấp thụ
bề mặt hấp thụ
chọn lọc
chọn lọc
(Selective Surface).
(Selective Surface).


Trước đây, thông thường bề mặt hấp thụ và
Trước đây, thông thường bề mặt hấp thụ và

rãnh dẫn chất làm việc là các chi tiết rời, để
rãnh dẫn chất làm việc là các chi tiết rời, để
kết nối các chi tiết này người ta có thể dùng
kết nối các chi tiết này người ta có thể dùng
phương pháp ép chặt không hàn hoặc có hàn.
phương pháp ép chặt không hàn hoặc có hàn.



Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của phương
Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của phương
pháp này là làm gia tăng nhiệt trở.
pháp này là làm gia tăng nhiệt trở.

Hiện nay, do sự tiến bộ của kỹ thuật gia công
Hiện nay, do sự tiến bộ của kỹ thuật gia công
và vật liệu, người ta thường dùng chính vật liệu
và vật liệu, người ta thường dùng chính vật liệu
làm bề mặt hấp thụ để tạo rãnh. Phương pháp
làm bề mặt hấp thụ để tạo rãnh. Phương pháp
này thuận lợi cho việc sản xuất hàng loạt và
này thuận lợi cho việc sản xuất hàng loạt và
làm giảm đáng kể nhiệt trở trao đổi nhiệt giữa
làm giảm đáng kể nhiệt trở trao đổi nhiệt giữa
tấm hấp thụ và chất làm việc chuyển động
tấm hấp thụ và chất làm việc chuyển động
trong rãnh.
trong rãnh.

Vật liệu làm bề mặt hấp thụ

Vật liệu làm bề mặt hấp thụ

Phải có các tính chất cơ bản như: hệ số dẫn
Phải có các tính chất cơ bản như: hệ số dẫn
nhiệt lớn, có khả năng chòu nén và kéo vừa đủ,
nhiệt lớn, có khả năng chòu nén và kéo vừa đủ,
ít bò ăn mòn, khó bám bẩn và đóng cáu.
ít bò ăn mòn, khó bám bẩn và đóng cáu.

Trong nhiều trường hợp thì
Trong nhiều trường hợp thì
đồng
đồng
thường được
thường được
lựa chọn vì có hệ số dẫn nhiệt khá cao và ít bò
lựa chọn vì có hệ số dẫn nhiệt khá cao và ít bò
ăn mòn.
ăn mòn.

Ngoài
Ngoài
đồng
đồng
ra thì người ta có thể sử dụng
ra thì người ta có thể sử dụng
nhôm
nhôm
,
,

kẽm
kẽm
,
,
thép
thép
và một số loại
và một số loại
nhựa nóng
nhựa nóng
như
như
Polypropylene
Polypropylene
,
,
Polyvinyl Chloride
Polyvinyl Chloride
và
và
Polybutelene
Polybutelene
để làm tấm hấp thụ.
để làm tấm hấp thụ.

Vật liệu
Vật liệu
Khối lượng
Khối lượng
riêng,

riêng,
kg/m
kg/m
3
3


Nhiệt dung
Nhiệt dung
riêng,
riêng,
kJ/kg.K
kJ/kg.K


Hệ số dẫn
Hệ số dẫn
nhiệt,
nhiệt,
W/m.K
W/m.K


Nhôm
Nhôm
Sắt
Sắt
Thép
Thép
Đồng

Đồng
Đồng thau
Đồng thau
Thiếc
Thiếc
Kẽm
Kẽm
2707
2707
7897
7897
7833
7833
8954
8954
8522
8522
7304
7304
7144
7144
0,996
0,996
0,452
0,452
0,465
0,465
0,383
0,383
0,385

0,385
0,226
0,226
0,384
0,384
204
204
73
73
54
54
386
386
111
111
64
64
112
112

Bề mặt hấp thụ chọn lọc
Bề mặt hấp thụ chọn lọc

Đònh luật
Đònh luật
Planck
Planck
và đònh luật
và đònh luật
Wien

Wien
: bước sóng
: bước sóng
của các tia bức xạ phát ra từ một bề mặt nào
của các tia bức xạ phát ra từ một bề mặt nào
đó tỉ lệ nghòch với nhiệt độ làm việc của bề
đó tỉ lệ nghòch với nhiệt độ làm việc của bề
mặt đó.
mặt đó.

Như vậy, các tia bức xạ mặt trời đi đến bề mặt
Như vậy, các tia bức xạ mặt trời đi đến bề mặt
Collector sẽ tập trung hầu hết trong vùng có
Collector sẽ tập trung hầu hết trong vùng có
bước sóng ngắn
bước sóng ngắn
với
với
λ
λ
< 3
< 3
µ
µ
m
m
, còn các tia bức
, còn các tia bức
xạ phát ra từ bề mặt hấp thụ của Collector sẽ
xạ phát ra từ bề mặt hấp thụ của Collector sẽ

tập trung hầu hết trong vùng có
tập trung hầu hết trong vùng có
bước sóng dài
bước sóng dài
.
.


Bề mặt hấp thụ chọn lọc:
Bề mặt hấp thụ chọn lọc:
bề mặt
bề mặt
đặc biệt có
đặc biệt có
phản ứng khác nhau tùy theo bước sóng của tia
phản ứng khác nhau tùy theo bước sóng của tia
bức xạ
bức xạ

Các lớp phủ của bề mặt này có khả năng hấp
Các lớp phủ của bề mặt này có khả năng hấp
thụ tốt các tia bức xạ có bước sóng ngắn đi đến
thụ tốt các tia bức xạ có bước sóng ngắn đi đến
bề mặt hấp thụ, đồng thời giảm đến mức thấp
bề mặt hấp thụ, đồng thời giảm đến mức thấp
nhất khả năng phát xạ các tia bức xạ có bước
nhất khả năng phát xạ các tia bức xạ có bước
sóng dài hơn đi ra từ bề mặt hấp thụ.
sóng dài hơn đi ra từ bề mặt hấp thụ.


3
Böôùc soùng
λ
,
µ
m
ρ

= 1-
ε
λ
λ
ρ =
0,10
λ
ρ =
0,95
λ


Hình slide tr c trình bày ở ướ
Hình slide tr c trình bày ở ướ
quan hệ lý tưởng
quan hệ lý tưởng


giữa hệ số phản xạ
giữa hệ số phản xạ
ρ
ρ

và bước sóng
và bước sóng
λ
λ
của bề
của bề
mặt hấp thụ loại chọn lọc.
mặt hấp thụ loại chọn lọc.

Ta thấy rõ khả năng hấp thụ và phát xạ (độ
Ta thấy rõ khả năng hấp thụ và phát xạ (độ
đen) của bề mặt hấp thụ chọn lọc thay đổi có
đen) của bề mặt hấp thụ chọn lọc thay đổi có
tính chất
tính chất
nhảy vọt
nhảy vọt
ở vùng có bước sóng khoảng
ở vùng có bước sóng khoảng
3
3
µ
µ
m
m
.
.

Ta gọi bước sóng ứng với vò trí có đặc tính thay
Ta gọi bước sóng ứng với vò trí có đặc tính thay

đổi nhảy vọt là
đổi nhảy vọt là
bước sóng ngưỡng
bước sóng ngưỡng


λ
λ
C
C
(Cut-Off
(Cut-Off
Wavelength) và bề mặt hấp thụ chọn lọc làm
Wavelength) và bề mặt hấp thụ chọn lọc làm
việc ở điều kiện lý tưởng như mô tả ở hình trên
việc ở điều kiện lý tưởng như mô tả ở hình trên
là bề mặt nửa xám (Semi-Gray Surface).
là bề mặt nửa xám (Semi-Gray Surface).


Đối với các bề mặt không trong suốt (Opaque
Đối với các bề mặt không trong suốt (Opaque
Surface), quan hệ giữa hệ số hấp thụ
Surface), quan hệ giữa hệ số hấp thụ
α
α
λ
λ
, hệ số
, hệ số

phản xạ
phản xạ
ρ
ρ
λ
λ
và hệ số phát xạ (độ đen)
và hệ số phát xạ (độ đen)
ε
ε
λ
λ
là:
là:
α
α
λ
λ


=
=
ε
ε
λ
λ
= 1 –
= 1 –
ρ
ρ

λ
λ

Như vậy, ở vùng có bước sóng nhỏ hơn bước sóng
Như vậy, ở vùng có bước sóng nhỏ hơn bước sóng
ngưỡng, do giá trò
ngưỡng, do giá trò
ρ
ρ
λ
λ
khá nhỏ nên hệ số hấp thụ
khá nhỏ nên hệ số hấp thụ
lớn.
lớn.

Trong khi đó, ở vùng có bước sóng lớn hơn bước
Trong khi đó, ở vùng có bước sóng lớn hơn bước
sóng ngưỡng, do giá trò
sóng ngưỡng, do giá trò
ρ
ρ
λ
λ
gia tăng rất đáng kể
gia tăng rất đáng kể
nên khả năng phát xạ (độ đen) nhỏ.
nên khả năng phát xạ (độ đen) nhỏ.



Các bề mặt hấp thụ chọn lọc trong thực tế không thể
Các bề mặt hấp thụ chọn lọc trong thực tế không thể
nào có được đặc tính như trình bày ở hình trên.
nào có được đặc tính như trình bày ở hình trên.

Điều này có nghóa là, tùy theo công nghệ và vật liệu
Điều này có nghóa là, tùy theo công nghệ và vật liệu
làm lớp phủ bề mặt, tính chất nhảy vọt ở vùng lân cận
làm lớp phủ bề mặt, tính chất nhảy vọt ở vùng lân cận
với bước sóng ngưỡng sẽ khác nhau.
với bước sóng ngưỡng sẽ khác nhau.

Trong thực tế, khả năng hấp thụ và phát xạ (độ đen)
Trong thực tế, khả năng hấp thụ và phát xạ (độ đen)
của bề mặt hấp thụ chọn lọc không thể nào biến đổi
của bề mặt hấp thụ chọn lọc không thể nào biến đổi
nhảy vọt, do đó khái niệm bước sóng ngưỡng cần phải
nhảy vọt, do đó khái niệm bước sóng ngưỡng cần phải
được hiểu khác đi, đó không phải là
được hiểu khác đi, đó không phải là
một giá trò
một giá trò
mà là
mà là
một
một


loạt các bước sóng
loạt các bước sóng

lân cận nhau.
lân cận nhau.

Hình dưới đây trình bày quan hệ giữa hệ số hấp
Hình dưới đây trình bày quan hệ giữa hệ số hấp
thụ và hệ số ph n xạ theo bước sóng của một loại ả
thụ và hệ số ph n xạ theo bước sóng của một loại ả
bề mặt hấp thụ chọn lọc trong thực tế.
bề mặt hấp thụ chọn lọc trong thực tế.


1
Bước sóng
λ
,
µ
m
Hệ số phản xạ
2 3 4
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1 2

4.2.3. Rãnh dẫn chất làm việc
4.2.3. Rãnh dẫn chất làm việc

Dùng để hướng dẫn chất làm việc đi qua

Dùng để hướng dẫn chất làm việc đi qua
Collector và nhận nhiệt từ bề mặt hấp thụ.
Collector và nhận nhiệt từ bề mặt hấp thụ.

Rãnh dẫn chất làm việc thường được đặt ở mặt
Rãnh dẫn chất làm việc thường được đặt ở mặt
dưới của bề mặt hấp thụ, ở một ít trường hợp
dưới của bề mặt hấp thụ, ở một ít trường hợp
khác thì rãnh dẫn chất làm việc có thể được
khác thì rãnh dẫn chất làm việc có thể được
đặt ở mặt trên của bề mặt hấp thụ.
đặt ở mặt trên của bề mặt hấp thụ.

(a)
(b)
(d)
(c)
(e)
(f) (l)
(k)
(i)
(j)
(h)
(g)

4.2.4. Lớp cách nhiệt
4.2.4. Lớp cách nhiệt

Được đặt ở mặt dưới của Collector để giảm tổn
Được đặt ở mặt dưới của Collector để giảm tổn

thất nhiệt theo hướng đáy của Collector.
thất nhiệt theo hướng đáy của Collector.

Cần chú ý, ngoài lớp cách nhiệt này thì cần
Cần chú ý, ngoài lớp cách nhiệt này thì cần
phải bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các
phải bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các
cạnh bên của Collector.
cạnh bên của Collector.