MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................... 1

2. Mục tiêu nghiên cứu: ........................................................................... 3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ....................................................... 3

4. Phương pháp nghiên cứu: .................................................................... 4

5. Bố cục của đề tài: ................................................................................ 4

6. Tổng quan và tài liệu nghiên cứu ......................................................... 4

CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

KHAI THÁC, SỬ DỤNG ............................................................................. 5

1.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .................................................................. 5

1.1.1. Cấu trúc của mặt trời .................................................................... 6

1.1.2. Bức xạ mặt trời ............................................................................. 8

1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời ..................................................................... 14

1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất....................... 16

1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI ............................................................................................................ 23

1.2.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ..................... 24

1.2.2. Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng NLMT ............................ 30

CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC MỘT LƯỚI ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI NỐI LƯỚI ....................................................................................... 33

2.1. GIỚI THIỆU ......................................................................................... 33

2.2. PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................... 34

2.2.1. Solar ........................................................................................... 34

2.2.2. Solar controller ........................................................................... 35

2.2.3. Bình ac quy 12 V 180 Ah ........................................................... 36

2.2.4. Inverter ....................................................................................... 37

CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI

LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH ....................................... 42

3.1. GIỚI THIỆU TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH ................................... 42

3.1.1. Sứ mạng của Trường .................................................................. 43

3.1.2. Phương châm của Trường ........................................................... 44

3.1.3. Chức năng, nhiệm vụ .................................................................. 44

3.1.4. Tổ chức bộ máy Nhà trường: ...................................................... 45

3.2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHÔNG DỰ TRỮ47

3.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH ................................................................ 47

3.3.1. Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) của tất cả các thiết bị mà hệ

thống solar phải cung cấp mỗi ngày ...................................................... 47

3.3.2. Tính toán inverter cho hệ thống pin mặt trời ............................... 49

3.3.3. Tính toán công suất của tấm pin mặt trời cần sử dụng. ............... 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 65

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

PHỤ LỤC.

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số

hình Tên hình Trang

1.1 Cấu trúc của mặt trời. 6

1.2 Các thành phần của mặt trời. 7

1.3 Dải bức xạ điện từ. 9

1.4 Góc nhìn mặt trời 10

1.5 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp

khí quyển của trái đất 11

1.6 Vị trí của trái đất và mặt trời thay đổi trong năm 12

1.7 Thành phần chính của mặt trời 13

1.8 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 14

1.9 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 17

1.10 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 18

1.11 Định nghĩa và cách xác định airmas 21

1.12 Pin mặt trời 24

1.13 Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời 26

1.14 Lò sấy sử dụng hệ thống NLMT 26

1.15 Bếp nấu dùng NLMT 27

1.16 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 27

1.17 Động cơ stirling chạy bằng NLMT 28

1.18 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT 29

2.1 Solar panel 170 W 34

2.2 Bộ solar controller uC12 – 40DC3ST 35

2.3 Bình ac quy 12v 180Ah 36

2.4 Bộ inverter 37

2.5 Mô hình hệ thống năng lượng làm on_grid 40

2.6 Mô hình mô phỏng hệ thống on_grid 41

3.1 Cổng Trường Đại học Trà vinh 43

3.2 Một góc của Trường Đại học Trà vinh 46

3.3 Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời 47

3.4 Tấm pin mặt trời 160 Wp 53

3.5 Thiết bị đồng bộ RS – 485 54

3.6 Sơ đồ đấu nối hệ pin mặt trời vào hệ thống 58

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số

bảng Tên bảng Trang

1.1 Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng 15

1.2 Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời 16

3.1 Các loại thiết bị tiêu thụ điện 48

3.2 Bức xạ mặt trời đo được trong ngày 51

3.3 Bức xạ mặt trời đo được trong các tháng 52

3.4 Sản lượng điện năng do hệ thống pin mặt trời tạo

ra theo tháng 55

3.5 Tổng chi phí cho cả hệ thống pin năng lượng mặt

trời 61

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

NLMT : Năng lượng mặt trời

DC : Điện áp một chiều

AC : Điện áp xoay chiều

BĐK : Bộ điều khiển

DCM : Chế độ dòng gián đoạn

CCM : Chế độ dòng liên tục

PV : Pin mặt trời

BTL : Bếp tiện lợi

VN : Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây Việt Nam quan tâm đầu tư cho nghiên cứu

khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, ứng dụng các công nghệ tiên

tiến quang điện để cấp điện và quang nhiệt để cấp nhiệt phục vụ cho nhu cầu

phát triển kinh tế xã hội. Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được đánh giá

là khá dồi dào và phong phú, và là nguồn năng lượng cơ bản có tính chiến

lược không chỉ cấp điện cho vùng chưa có điện lưới mà còn là nguồn bổ sung

quan trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phần đảm bảo an ninh

năng lượng và bảo vệ môi trường sống. Việt Nam đã ứng dụng năng lượng

mặt trời để cấp điện và cấp nhiệt. Các hệ thống lưới điện mặt trời đã có mặt ở

38 tỉnh, thành trong cả nước và một số bộ, ngành sử dụng. Các nguồn điện pin

mặt trời đều không nối lưới, trừ hệ thống pin mặt trời 150 kW tại Trung tâm

Hội nghị Quốc gia là có nối lưới. Tổng công suất điện pin mặt trời của Việt

Nam hiện nay khoảng 1,4 MW.

1. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá…

đang dần cạn kiệt, không còn để khai thác được nữa. Ngoài ra, những nguồn

năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh

hưởng đến đời sống con người.

Trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay

thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Vì vậy,

tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo đang là hướng đi mới trong

năng lượng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng

lượng đang đặt lên hàng đầu. Việc khai thác năng lượng tái tạo có ý nghĩa

quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững.

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan

trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó

2

cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió,

năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Đó là loại hình năng

lượng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện

lưới không vươn đến được (vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài

khơi, …). Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng

nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó,

đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.

Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lượng bức

xạ trung bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của

Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở

Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng

mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện

mặt trời chiếm 0,009% tổng lượng điện toàn quốc. Mặc dù, đã có những

chính sách khuyến khích, nhưng vì nhiều lý do, việc phát triển năng lượng

mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn hơn các dạng năng lượng truyền

thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế.

Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản

xuất và tích trữ năng lượng mặt trời tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng

lượng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ (tức là khai thác và sử

dụng tại chỗ), năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán

trở lại cho lưới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện).

Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là nội dung quan trọng trong

quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước nói chung và tỉnh Trà

Vinh nói riêng, trong đó có vấn đề nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng

trong sản xuất công nghiệp. Đây là nội dung quan trọng trong Chiến lược

phát triển bền vững Việt Nam giai đoạn 2011-2020, bảo đảm kết hợp hài

hòa giữa tăng trưởng kinh tế, xóa đói giảm nghèo, sử dụng hợp lý tài nguyên

3

thiên nhiên và bảo vệ môi trường, nhằm chống tụt hậu xa hơn về kinh tế so

với các nước trong khu vực, cũng như các nước khác trên phạm vi toàn thế

giới, đồng thời thực hiện thắng lợi mục tiêu “Dân giàu, nước mạnh, dân

chủ, công bằng, văn minh”.

Đối với tỉnh Trà Vinh nói chung và Trường Đại học Trà vinh nói

riêng, với tốc độ phát triển về cơ sở vật chất cũng như cơ sở hạ

tầng ngày một lớn trong những năm gần đây, nhu cầu năng lượng để

đáp ứng cho việc phát triển này sẽ ngày một gia tăng. Trong khi đó

trường Đại học Trà vinh đang khởi động dự án Đại học xanh. Đặc biệt

vào tháng 10 năm 2014 Hiệp hội Lãnh đạo Đại học vì một Tương lai Bền

vững (ULSF) đã chính thức công nhận Đại học Trà Vinh thuộc hệ thống 400

trường đại học trên 50 quốc gia cùng chung tay xây dựng môi trường bền

vững trong các lĩnh vực học thuật. Do đó việc sử dụng nguồn năng lượng

mặt trời là giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong tình

hình hiện nay là hết sức cần thiết.

Vì vậy, việc nghiên cứu khai thác hệ thống điện năng lượng mặt trời,

cung cấp điện cho phụ tải đồng thời hòa tối ưu nguồn năng lượng này lên lưới

điện đang là một vấn đề cấp thiết.

2. Mục tiêu nghiên cứu:

Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện trường

đại học trà vinh.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

3.1. Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu nguồn năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất, sử

dụng và hòa lưới.

- Tính toán pin mặt trời kết nối lưới điện Trường Đại học Trà Vinh.

4

3.2. Phạm vi nghiên cứu: Khu hiệu bộ Trường Đại học Trà vinh

4. Phương pháp nghiên cứu:

- Thu thập số liệu thực tế tại Trường Đại học Trà Vinh, phân tích,

đánh giá hiện trạng sử dụng năng lượng của trường, đề ra những giải

pháp nâng cao hiệu quả và kế hoạch triển khai thực hiện các giải pháp

phù hợp điều kiện của trường.

- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng, tính toán năng lượng pin mặt

trời cho khu Trường Đại học Trà Vinh.

5. Bố cục của đề tài:

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử

dụng.

Chương 2: Cấu trúc một lưới điện mặt trời nối lưới.

Chương 3: Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới điện Trường

Đại học Trà Vinh.

6. Tổng quan và tài liệu nghiên cứu

5

CHƯƠNG 1

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

KHAI THÁC, SỬ DỤNG

1.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể

quan sát được trong vũ trụ. Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể

của nó tạo nên hệ mặt trời nằm trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt

trời khác. Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần

nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta. Trái đất và

Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định

cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta. Năng lượng mặt trời là

một trong các nguồn năng lượng sạch được xem là vô tận và nó là nguồn gốc

của các nguồn năng lượng khác trên trái đất. Con người đã biết tận hưởng

nguồn năng lượng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng

nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta

đang quan tâm.

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn

110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị

thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này

đến Trái đất). Khối lượng Mặt trời khoảng Mo = 2.1030 kg. Nhiệt độ To trung

tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 oK đến 20.106 oK, trung bình

khoảng 15.600.000 oK. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu

trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử.

Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động

tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất

hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn

6

trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có

phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời.

1.1.1. Cấu trúc của mặt trời

Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời.

Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối

cầu khí khổng lồ (hình 1.1). Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những

chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên

nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối

lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào

khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là

vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng được truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở

vùng này gồm có Sắt (Fe), Canxi (Ca), Natri (Na), Stronti (Sr), Crôm (Cr),

Niken (Ni), Cacbon ( C), Silíc (Si) và các khí như Hiđrô (H2), Hêli (He),

chiều dày vùng này khoảng 400.000 km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày

125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 oK, dày 1.000 km,

ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy

có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 oK và các tai lửa có nhiệt độ từ (7.000 ÷

10.000) oK. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của

Mặt trời.

7

Hình 1.2. Các thành phần của mặt trời.

Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 5.762 oK nghĩa là có giá trị đủ lớn để

các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây

thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân

tử. Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta

xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái

đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen.

Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73.46% là Hydrogen và gần 24,85% là

Helium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%, Carbon

0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium

0,05% và Sulphur 0,04%. Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là

do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự

tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hyđrô có một hạt mang điện dương là proton.

Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ

cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở

một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực

hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và

một lượng bức xạ γ.

8

NeutrinoHeH 24 42

11 (1.1)

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất

lớn. Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không

tham gia vào các “biến cố” sau đó. Trong quá trình diễn biến của phản ứng có

một lượng vật chất của Mặt trời bị mất đi, điều này làm cho mỗi giây khối

lượng của Mặt trời giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu,

trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa.

Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch

lên đến 9.1024 kWh.

1.1.2. Bức xạ mặt trời

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt

Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Hằng số năng lượng

mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một

đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m2. Ánh sáng Mặt

Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn

tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất

trong điều kiện trời quang đãng. Năng lượng này có thể dùng vào các quá

trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng

mặt trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn

nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt Trời, hay

chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời. Năng lượng dự

trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được

chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của

sinh vật cổ.

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các

phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi

đi qua 5.105 km chiều dầy của lớp vật chất Mặt trời của biến đổi rất mạnh. Tất

9

cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở

bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, tứ tâm Mặt trời đi

ra cho sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ

chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ

Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ

thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác

bắt đầu xảy ra.

Hình 1.3. Dải bức xạ điện từ.

Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 1.3), từ tâm Mặt

trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây

giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành

bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt

độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế

khác bắt đầu xảy ra.

Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt

trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1

– 10 μm và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng

bước sóng 0,38 – 0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ.

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các

tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp

10

khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính

theo công thức:

2

4

0 /100

.. mWT

Cq TD

(1.2)

Trong đó: φD_T: hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời.

φD_T = β2/4 (1.3)

β: góc nhìn mặt trời, β ≈ 32’ như hình 2.2

C0 = 5,67 W/m2.K4 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.

T ≈ 5762oK – nhiệt độ bề mặt Mặt trời. (xem giống vật đen tuyệt đối)

Hình 1.4. Góc nhìn mặt trời

=>

2

4

2

/1353100

5762.67,5.

4

60.360

32.14,3.2

mWq

(1.4)

Do khoảng cách giửa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm

nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm

nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số Mặt trời.

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức

xạ bị hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một

phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái đất. Đầu tiên oxy phân tử

bình thường O2 phân ly thành oxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết đó, cần có

các photon bước sóng ngắn hơn 0,18 m, do đó các photon (xem bức xạ như

11

các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một

phần các nguyên tử oxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên

tử tương tác với các phân tử oxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn

cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với oxy, dưới tác

dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32 m, sự phân tách O3 thành

O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại

được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là

quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại

biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng

ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí

nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá

đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ.

Hình 1.5. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển

của trái đất

Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất.

Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến

12

chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát

được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ

mặt trời.

Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa

đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbônic và các hợp chất

khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở

khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những

ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2

(hình 1.5). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm

nào đó trên Trái đất là quảng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên

quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời

gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiên của

trục Trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra. Góc

nghiên vào khoản 66,5o và thực tế xem như không thay đổi trong không gian.

Sự đinh hướng như vậy của trực quay Trái đất trong chuyển động của nó đối

với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm

trong năm.

Hình 1.6. Vị trí của trái đất và mặt trời thay đổi trong năm

Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.108 km. Từ

trái đất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31’59. Từ đó có thể tính

được đường kính của mặt trời là R = 1,4.106 km, tức là bằng 109 lần đường

13

kính quả đất và do đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.104

lần. Từ định luật hấp dẫn người ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là

1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lượng quả đất 33.104 lần. Mật độ trung bình của

mặt trời là 1,4 g/cm3, lớn hơn khối lượng riêng của nước (1g/cm3) khoảng

50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất khác nhau. Ở

phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160

g/cm3, nhưng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh.

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía

trong và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.7). Phần khí quyển bên ngoài lại

gồm 3 miền và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên

trong của nó cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung

gian và lõi mặt trời. Một số thông số của các lớp của mặt trời được cho trên

hình 1.7.

Hình 1.7. Thành phần chính của mặt trời

Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định.

Thực ra bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng.

Sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ

dội của khu vực xung quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động

14

không ngừng trong lòng mặt trời. Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan

sát được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xung

sáng,…luôn luôn thay đổi và rất dữ dội.

1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao

động điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ

cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và

vuông góc với phương truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ

truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng .

Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c =

3.108 m/s. Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và

bằng v = c/n, trong đó n được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường, với n

≥ 1. Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10.7

nm (nano met) đến hàng nghìn km. (Hình 1.8) trình bày thang sóng điện từ

của bức xạ mặt trời.

Hình 1.8. Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 µm đến gần 0,8 µm, chỉ chiếm

một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời. Mặc dù có cùng

bản chất là song điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng khác

nhau thì gây ra các tác dụng lý học, hoá học và sinh học rất khác nhau. Nói

riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây cho ta

65

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng việt

[1] Trịnh Quang Dũng (1992), Điện mặt trời, Nhà xuất bản Khoa học kỹ

thuật

[2] TS. Hoàng Dương Hùng (2003), Nghiên cứu ứng dụng triển khai Năng

lượng mặt trời vào thực tế, Đề tài nghiên cứu Khoa học cấp bộ.

[3] TS. Hoàng Dương Hùng (2007), Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng

dụng, Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật.

[4] Nguyễn Duy Long, Đề tài nghiên cứu khoa học “xây dựng hệ thống sử

dụng năng lượng mặt trời cho chiếu sáng”

[5] Đặng Đình Thống (2005), Pin mặt trời và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa

học kỹ thuật

[6] Phạm Hồng Vân, Dự án Hệ Thống Cung Cấp Điện Bằng Năng Lượng Tái

Tạo Cho Xã An Bình Huyên Đảo Lý Sơn Tỉnh Quảng Ngãi do làm chủ

nhiệm dự án.

Tiếng Anh

[7] F. Blaabjerg and Z. C. amd S. Kjaer, “Power electronics as efficient

interface in dispersed power generation systems,” IEEE Transactions

on Power Electronics, vol. 19, pp. 1184–1194, Sept 2004.

[8] H. Stephen Stoker, Spencer L. Seager, Robert L. Capener: From Source

to Use Energy, Linrary of Congress, Catalog Number 74-78255, ISBN

o.673-07947, USA

[9] H.P. Garg: Trease on solar energy, Vol. 1, Fundamentals of solar energy,

John Wiley and Sons, New York 1982.

[10] John A. Duffie, William A Beckman, Solar Engineering of Themal

Processes, A Wiley – Interscience Publication, 1991

66

[11] Martin Mc Phillips: The solar age, Everest House Publishers, New

Press,1979.

[12] Các nguồn tài liệu trên internet.