tiểu luận truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng

Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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
0
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
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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: m
2
.
o
K/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
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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/ft
2
.h.
o
F)
K = 0,2857 x 0,1442 = 0,0412 (W/m.
o
K)
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/m
2
) trên bề mặt một
gradien nhiệt độ một Kelvin (1
0
K) trên đơn vị độ dày 1m.
Đơn vị tính là W/m.
0
K Ngoài ra l còn được tính theo đơn vị Anh: 1 Btu.in/ft
2
.h.
F = 0.1442 W/m.
0
K

PHẦN II: SỰ TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ QUA TẤM PHẲNG
HẤP THỤ BỨC XẠ NHIỆT
6
Truyền nhiệt qua vật liệu
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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)
2
2 1
2
2 1
sin ( )
sin ( )
r
 
 





2
2 1
2
2 1
tan ( )
tan ( )
r
 
 



P
1
( )
2
r
i
I
r r r
I

  
P
Các thành phần của tia bức xạ truyền tới một bề mặt
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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 n
1
đến môi trường 2 với
chỉ số khúc xạ n
2
:
(5.1.1) (5.1.2)
(5.1.3)
8
Quá trình truyền của tia bức xạ
Thành phần phản xạ
Tia tới
Thành phần khúc xạ
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
Ở đây
1

và
2

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,
r

, và phương trình 5.1.2 biểu
diễn thành phần song song của bức xạ không phân cực,
r
P
.( 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
1

và
2

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.
 n
1
là chiết suất môi trường 1.
 n
2
là chiết suất môi trường 2.
Tỉ số
1
2
n
n
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
2
2 2
2
0
(1 ) 1
(1 )
1 1
n
n
r r
r r
r r


 
  

 
 
   
 

Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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-
r

) của tia tới đến bề mặt chung
thứ 2. (1-
r

)
2
đi qua bề mặt chung và
r

(1-
r

) 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
r

và
r
P
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.

1
11
2 1 1
r
r
r
r r



 


 
 
 
 
 
P
P
(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.

1
11
2 1 (2 1) 1 (2 1)
rN

r
r
N r N r



 


 
 
 
   
 
P
P
(5.1.9)
10
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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,

dI IKdx 
(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

2
exp( )
cos
transmitted
a
incident
I
KL
I


  
(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
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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

 
 
 
























2
2
2
2
1
1
1
1
1
1





a
a
a
r
r
r
r
r

r
a
(5.3.1)

 
 
 















a
a
r
r
r
r
r
a

1
1
2
2
2
1
(5.3.2)

 
















a
a
r
r
1

1
1
(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
a

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.



ra

(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



a
 1
(5.3.5)
12

Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
Hệ số phản xạ của một tấm nắp được hình thành từ

1
, do đó

 



ara
1
(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






























 ||
21
21
21
21
112
1





(5.3.7)



























 ||
2
12

1
2
12
1
2
1






(5.3.8)
13
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
Chú ý rằng hệ số phản xạ từ tấm nắp phụ thuộc vào tấm nắp chắn bức xạ.
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
14
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
úng dụng năng lượng mặt trời, tương đương về cơ bản là 60
0

. Hay nói cách khác,
tia bức xạ tới tại một góc 60
0
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.

2
90 0.5788 0.002693
e
  
  
(5.4.1)
và bức xạ khuyếch tán là

2
59.7 0.1388 0.001497
e
  
  
(5.5.2)
15
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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
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
 
1


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
 
1



đập trực tiếp vào tấm kính được khuếch tán và
 
1
d
 

được phản xạ trở lại tấm hấp thụ. Giá trị
d

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
a

và

tại
16
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
giá trị góc bằng 60
0
. Nếu hệ thống kính bao gồm hai tấm nắp ( hoặc hơn) với vật
liệu không giống nhau,

d

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

   
 
0
1
1 1
n
d
n
d

   
 


   
 
 

(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


/
 
n

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

.
17
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
Đường cong

/
 
n

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 Fe
2
O
3
có trong nó thấp. Nếu thành
phần Fe
2
O
3
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
Fe
2
O
3
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
18
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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.

1
n
j j
j
f

 



V
(5.7.1)
Nếu có một góc phụ thuộc với


, tổng hệ số truyền dẫn tại góc a có thể được viết
là:

0
0
( )
( )
( )
i
i
I d
I d

 

  
 
 





(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
( )
i
I


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.

0
0
( ) ( )
( )
( )
i
i
I d
I d
  

    
 
 





(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.
19

Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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

,1 ,2 ,
0
0
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
N i
i
I d
I d
    

        
 
 






(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.
20
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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
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.
21
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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

1 cos 1 cos
( ) ( ) ( )( )
2 2
b b b d d g d d g
S I R I I I
 
   
 
   
   
   
   
(5.9.1)
Ở đây
(1 cos )/ 2


và
(1 cos ) / 2


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
( )
d


và
( )
g

. Góc

đối với bức xạ tia
được sử dụng để tìm
( )
b

. Một cách khác,
( )
n

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
Loại thuỷ
tinh
Góc tới
0
0
20
0
40
0

50
0
60
0
70
0
80
0
Được xử lý
acid
0.941 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
22
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
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
S
:

 

RH
S
H
S
T


(5.10.1)
Phương pháp sau đây tương tự như giá trị tính toán theo từng giờ của S, có thể dùng
để tìm
S
.
Dùng cách giả định tán xạ đẳng hướng, ta c ó phương trình

     

















2
cos1
2
cos1




g
g
d
d
b
bb
HHRHS
(5.10.2)
Đối với tán xạ và phản xạ mặt đất,
 
d

và
 
g

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 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
b

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
b

đã được đánh giá sử dụng góc phân phối
   
n

/
chỉ ra trong hình 5.6.1.
Phương trình Klein và Theilacker cũng có thể chỉ dùng để tính
S
, sản phẩm
HR
. Với mỗi phương trình
R
bao gồm 3 thành phần: thứ nhất là tích
 
b

, thứ
hai là

 
d

, và thứ ba là
 
g

, đã được chỉ ra ở phương trình 5.10.2. Đối với bề
mặt mà góc phương vị lớn hơn 0
0
(hoặc 180
0
ở bán cầu nam) nên dùng phương trình
2.20.5a
23
Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5
Hấp thụ bức xạ, MJ/m
2
Tháng
H
T
K
T
H
 
b

Trực
xạ
Khuyếch

tán
Phản
xạ
S
 

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
 
b

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
   
n

/
trong những tháng mùa đông gần như không thay đổi và bằng 0.96
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 15
0
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