Collector tấm phẳng

Chương 4
COLLECTOR TẤM PHẲNG
(Flat Plate Solar Collector)
4.1. Đặc điểm chung
Thường được lắp cố định (không quay theo mặt trời).
Một cách tổng quát, nên đặt theo hướng bắc-nam, hoặc gần hướng bắc-nam.
Nên đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang.
Có thể nhận tia trực xạ và tia khuếch tán.
Thường làm việc với nước hoặc không khí ở mức nhiệt độ không cao.
Dễ gia công, chế tạo.
4.2. Cấu tạo
Các thành phần cơ bản
Tấm phủ trong suốt.
Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời.
Rãnh dẫn chất làm việc.
Lớp cách nhiệt.
4.2.1. Tấm phủ trong suốt
Được làm bằng thủy tinh hay bằng các loại vật liệu trong suốt khác.
Nhiệm vụ cơ bản của các tấm này là tạo ra hiệu ứng nhà kính (Greenhouse Effect) để làm giảm bớt tổn thất năng lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của Collector ra ngoài môi trường, đồng thời góp phần hạn chế bớt tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu.
Tất nhiên các tấm phủ này phải có độ trong suốt tốt để có thể cho các tia bức xạ xuyên qua ở mức độ tối đa.
Tùy theo mức nhiệt độ làm việc của Collector mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N.
Nói chung, khi nhiệt độ làm việc càng cao thì N nên càng lớn, giá trị phổ biến của N là từ 1 đến 2.
Trong một vài trường hợp có thể người ta không cần dùng đến tấm phủ.
Tấm phủ phải đảm bảo được độ bền, độ trong suốt đối với các tia bức xạ và lâu xuống cấp.

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

So với kính thì tuổi thọ và độ trong suốt của plastic kém hơn do plastic có khả năng bị lão hóa nhanh hơn dưới tác động của các tia cực tím. Tuy nhiên, ưu điểm của plastic là khó vỡ, rẻ tiền và khối lượng riêng bé.
Các loại kính và plastic được dùng làm tấm phủ có hệ số khúc xạ (Refractive Index) khoảng chừng 1,5.

Thông thường bề mặt của các vật liệu làm tấm phủ đã được xử lý để hạn chế hiện tượng phản xạ, tuy vậy hệ số phản xạ của các tấm phủ đang được dùng ứng với các tia bức xạ có góc tới bé vẫn còn khá cao, vào khoảng 0,08.

Như vậy, hệ số xuyên qua tối đa của hầu hết các tấm phủ là 0,92.
Nếu gia tăng số lượng tấm phủ thì hệ số xuyên qua sẽ càng giảm.

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 bị giảm đi.

Trong trường hợp của kính, người ta thấy hệ số xuyên qua kính còn chịu ảnh hưởng của hàm lượng sắt có trong kính.

Khi nhìn vào cạnh bên (nhìn theo hướng bề dày của kính), nếu kính nghiêng về màu xanh lá cây thì hàm lượng sắt có trong kính càng nhiều, điều đó làm cho hệ số xuyên qua kính càng bị giảm. Do kính là loại dễ vỡ, không nên chọn kính có bề dày nhỏ hơn 3,5 mm để làm tấm phủ.
Thảo luận
HIỆU ỨNG NHÀ KÍNH???
4.2.2. Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời
Là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền lại cho chất làm việc, thông thường bề mặt này được sơn màu đen.
Để gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược lại từ bề mặt hấp thụ thì người ta có thể dùng các loại sơn chuyên dùng để tạo nên bề mặt hấp thụ chọn lọc (Selective Surface).
Trước đây, thông thường bề mặt hấp thụ và rãnh dẫn chất làm việc là các chi tiết rời, để kết nối các chi tiết này người ta có thể dùng phương pháp ép chặt không hàn hoặc có hàn.

Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của phương pháp này là làm gia tăng nhiệt trở.

Hiện nay, do sự tiến bộ của kỹ thuật gia công và vật liệu, người ta thường dùng chính vật liệu làm bề mặt hấp thụ để tạo rãnh. Phương pháp này thuận lợi cho việc sản xuất hàng loạt và làm giảm đáng kể nhiệt trở trao đổi nhiệt giữa tấm hấp thụ và chất làm việc chuyển động trong rãnh.
Vật liệu làm bề mặt hấp thụ
Phải có các tính chất cơ bản như: hệ số dẫn nhiệt lớn, có khả năng chịu nén và kéo vừa đủ, ít bị ăn mòn, khó bám bẩn và đóng cáu.

Trong nhiều trường hợp thì đồng thường được lựa chọn vì có hệ số dẫn nhiệt khá cao và ít bị ăn mòn.

Ngoài đồng ra thì người ta có thể sử dụng nhôm, kẽm, thép và một số loại nhựa nóng như Polypropylene, Polyvinyl Chloride và Polybutelene để làm tấm hấp thụ.
Bề mặt hấp thụ chọn lọc
Định luật Planck và định luật Wien: bước sóng của các tia bức xạ phát ra từ một bề mặt nào đó tỉ lệ nghịch với nhiệt độ làm việc của bề mặt đó.

Như vậy, các tia bức xạ mặt trời đi đến bề mặt Collector sẽ tập trung hầu hết trong vùng có bước sóng ngắn với ? < 3 ?m , còn các tia bức xạ phát ra từ bề mặt hấp thụ của Collector sẽ tập trung hầu hết trong vùng có bước sóng dài.
Bề mặt hấp thụ chọn lọc: bề mặt đặc biệt có phản ứng khác nhau tùy theo bước sóng của tia bức xạ

Các lớp phủ của bề mặt này có khả năng hấp thụ tốt các tia bức xạ có bước sóng ngắn đi đến bề mặt hấp thụ, đồng thời giảm đến mức thấp nhất khả năng phát xạ các tia bức xạ có bước sóng dài hơn đi ra từ bề mặt hấp thụ.
Hình ? slide tru?c trình bày quan hệ lý tưởng giữa hệ số phản xạ ? và bước sóng ? của bề mặt hấp thụ loại chọn lọc.

Ta thấy rõ khả năng hấp thụ và phát xạ (độ đen) của bề mặt hấp thụ chọn lọc thay đổi có tính chất nhảy vọt ở vùng có bước sóng khoảng 3 ?m .

Ta gọi bước sóng ứng với vị trí có đặc tính thay đổi nhảy vọt là bước sóng ngưỡng ?C (Cut-Off Wavelength) và bề mặt hấp thụ chọn lọc làm việc ở điều kiện lý tưởng như mô tả ở hình trên là bề mặt nửa xám (Semi-Gray Surface).
Đối với các bề mặt không trong suốt (Opaque Surface), quan hệ giữa hệ số hấp thụ ?? , hệ số phản xạ ?? và hệ số phát xạ (độ đen) ?? là:

?? = ?? = 1 - ??

Như vậy, ở vùng có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng, do giá trị ?? khá nhỏ nên hệ số hấp thụ lớn.

Trong khi đó, ở vùng có bước sóng lớn hơn bước sóng ngưỡng, do giá trị ?? gia tăng rất đáng kể nên khả năng phát xạ (độ đen) nhỏ.
Các bề mặt hấp thụ chọn lọc trong thực tế không thể nào có được đặc tính như trình bày ở hình trên.

Điều này có nghĩa là, tùy theo công nghệ và vật liệu làm lớp phủ bề mặt, tính chất nhảy vọt ở vùng lân cận với bước sóng ngưỡng sẽ khác nhau.

Trong thực tế, khả năng hấp thụ và phát xạ (độ đen) của bề mặt hấp thụ chọn lọc không thể nào biến đổi nhảy vọt, do đó khái niệm bước sóng ngưỡng cần phải được hiểu khác đi, đó không phải là một giá trị mà là một loạt các bước sóng lân cận nhau.
Hình dưới đây trình bày quan hệ giữa hệ số hấp thụ và hệ số ph?n xạ theo bước sóng của một loại bề mặt hấp thụ chọn lọc trong thực tế.
4.2.3. Rãnh dẫn chất làm việc
Dùng để hướng dẫn chất làm việc đi qua Collector và nhận nhiệt từ bề mặt hấp thụ.
Rãnh dẫn chất làm việc thường được đặt ở mặt dưới của bề mặt hấp thụ, ở một ít trường hợp khác thì rãnh dẫn chất làm việc có thể được đặt ở mặt trên của bề mặt hấp thụ.
4.2.4. Lớp cách nhiệt
Được đặt ở mặt dưới của Collector để giảm tổn thất nhiệt theo hướng đáy của Collector.

Cần chú ý, ngoài lớp cách nhiệt này thì cần phải bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các cạnh bên của Collector.
4.3. Ứng dụng
Cấp nước nóng.
Sấy.
4.4. Hình minh họa