Giáo trình Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng (Nghề Thí nghiệm điện Trung cấp)

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ


GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÝ THUYẾT
VÀ ỨNG DỤNG
NGHỀ: THÍ NGHIỆM ĐIỆN
TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP
(Ban hành kèm theo Quyết định số:206/QĐ-CĐDK ngày 1 tháng 3 năm 2022
của Trường Cao Đẳng Dầu Khí)

Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2022
(Lưu hành nội bộ)


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được phép dùng
nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu
lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng nhằm trang bị cho học sinh sinh
viên, học viên nghề những kiến thức cơ bản về năng lượng mặt trời, pin mặt trời… với
những kiến thức này có thể áp dụng thực tế trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như các
cơng trình về điện nhà máy điện hay các cơng trình nhà ở.
Để xây dựng được giáo trình chúng tơi đã tham khảo các cơ sở thực tế nhà máy và các
cơng trình điện khác nhằm rút ra những kinh nghiệp thực tế áp dụng và được đưa vào giảng
dạy cho học sinh sinh viên, học viên những kiến thức cơ bản.

Nội dung : gồm 4 chương
Chương 1: Mặt trời và trái đất
Chương 2: Năng lượng bức xạ mặt trời.
Chương 3: Pin mặt trời
Chương 4: Thiết bị nhiệt mặt trời
Trong q trình biên soạn có điều gì sai sót rất mong sự đóng góp của đồng nghiệp và
độc giả.
Bà Rịa - Vũng Tàu, tháng 6 năm 2022
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Dương Tiến Trung
2. Lê Thị Thu Hường
3. Ninh Trọng Tuấn
4.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MẶT TRỜI VÀ TRÁI ĐẤT ............................................................... 5
CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI ............................................ 14
CHƯƠNG 3: PIN MẶT TRỜI ................................................................................ 26
CHƯƠNG 4: PIN MẶT TRỜI ................................................................................ 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 42


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1: Bên ngồi mặt trời........................................................................................... 6
Hình 2: Trái đất ......................................................................................................... 10
Hình 3: Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển ............................... 11
Hình 4: Dải bức xạ điện từ ......................................................................................... 15
Hình 5: Góc nhìn mặt trời .......................................................................................... 16
Hình 6:Q trình truyền năng lượng qua lớp khí quyển của trái đất ........................... 17

Hình 7: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời của hệ mặt phẳng nghiêng 19
Hình 8: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuyếch tán ........................................ 21
Hình 9: Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng .................................................... 22
Hình 10: Quá trình hấp thu bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính ....................... 23
Hình 11: Xác định T và t() ....................................................................................... 24
Hình 12: Đo cường độ bức xạ mặt trời ....................................................................... 25
Hình 13: Thành phần cấu tạo của pin năng lượng mặt trời ......................................... 27


CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÝ THUYẾT VÀ
ỨNG DỤNG
1. Tên mô đun: Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng
2. Mã môn học: ELET55068
Thời gian thực hiện mô đun: 90 giờ; ; (Lý thuyết: 56 giờ; Thực hành: 29 giờ; kiểm
tra 5 giờ).
Số tín chỉ: 05
3. Vị trí, tính chất của mơ đun:
- Vị trí: Mơ đun được bố trí học ở học kỳ 2, năm học thứ 2, sau các môn học lý
thuyết cơ sở của chương trình đào tạo
- Tính chất: Là mơ đun đào tạo chuyên môn nghề bắt buộc
4. Mục tiêu mô đun:
-

-

Về kiến thức:

Trình bày tổng quan về cấu trúc mặt trời và phản ứng hạt nhân, năng nượng
bức xạ mặt trời.


Hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.

Thiết kế lắp đặt được hệ thống pin mặt trời.

Trình bày được cơ sở lý thuyết, ứng dụng các thiết bị nhiệt mặt trời.
Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

Rèn luyện tính cẩn thận, chủ đơ ̣ng, tư duy khoa ho ̣c, nghiêm túc trong công
việc.

5. Nội dung mơ đun:
5.1. Chương trình khung

TT

Mã MH, MĐ

I

Tên mơn học, mơ đun

Các mơn học
chung/đại cương

Thời gian đào tạo (giờ)
Thực
Kiểm
Tín
hành,
tra

Lý
chỉ Tổng
thí nghiệm,
thuyết
số
thảo luận, LT TH
bài tập
14

285

117

153

10

5

1

COMP52001

Giáo dục chính trị

2

30

15

13

2

0

2

COMP51003

Pháp luật

1

15

9

5

1

0

3

COMP51007

Giáo dục thể chất

1

30

4

24

0

2

4

COMP52009

Giáo dục quốc phòng
và an ninh

2

45

21

21

1

2

5

COMP52005

Tin học

2

45

15

29

0

1

6

FORL54002

Tiếng anh

4

90

30

56

4

0


7

SAEN52001
II
II.1

An tồn vệ sinh lao
động
Các mơn học, mơ đun
chun mơn ngành,
nghề
Mơn học, mơ đun cơ
sở

2

30

23

5

2

0

58

1425

365

994

25

41

12

255

98

143

7

7

8

ELET5201

An tồn điện

2

30

28

0

2

0

9

ELET51165

Vẽ điện

1

30

0

29

0

1

10

ELET5308

Điện kỹ thuật cơ bản

3

45

42

0

3

0

Khí cụ điện

3

75

14

58

1

2

Thực tập điện cơ bản

3

75

14

56

1

4

46

1170

267

851

18

34

5

90

56

29

4

1

3

75

14

58

1

2

2

45

14

29

1

1

5

120

28

87

2

3

5

120

28

87

2

3

5

120

28

87

2

3

6

150

28

116

2

4

6

150

28

116

2

4

5

120

28

87

2

3

4

180

15

155

0

10

72

1710

482

1147

35

46

11
12

ELEI53117
ELEO53149
II.2

13

ELET55068

14

ELEI53115

15

ELET52137

16

ELET65142

17

ELET55141

18

ELET55143

19

ELET66146

20

ELET66147

21

ELET55145

22

ELET54251

Mơn học, mơ đun
chuyên môn ngành,
nghề
Năng lượng mặt trời lý
thuyết và ứng dụng
Đo lường điện
Phần điện nhà máy
điện và trạm biến áp
Thí nghiệm mạch
nguồn, mạch dịng,
mạch áp và mạch tín
hiệu
Thí nghiệm khí cụ điện
Thí nghiệm máy cắt
điện
Thí nghiệm thiết bị đo
lường điện
Thí nghiệm thiết bị
trạm biến áp
Thí nghiệm thiết bị
điện quay
Thực tập sản xuất
Tổng cộng

5.2. Chương trình chi tiết mơn học:

Số TT

1

Nội dung tổng quát

Chương 1: Mặt trời và trái
đất

Tổng số

9

Thời gian (giờ)
Thực hành,
Lý
thí nghiệm,
thuyết
thảo luận,
bài tập
8

1

Kiểm tra
LT

TH


Số TT

2
3
4

Nội dung tổng quát

Chương 2: Năng lượng bức
xạ mặt trời.
Chương 3: Pin mặt trời
Chương 4: Thiết bị nhiệt mặt
trời
Cộng

Tổng số

Thời gian (giờ)
Thực hành,
Lý
thí nghiệm,
thuyết
thảo luận,
bài tập

Kiểm tra
LT

11

8

2

1

41

15

24

1

29

25

2

2

90

56

29

4

TH

1

1

6. Điều kiện thực hiện mơn học
6.1. Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng:
Phịng thí nghiệm điện
6.2. Trang thiết bị máy móc:
Máy tính, máy chiếu
6.3. Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu:
Giáo trình, giáo án
Phiếu thực hành, phiếu học tập (nếu có)
6.4. Các điều kiện khác:
7. Nội dung và phương pháp đánh giá
7.1. Nội dung
Về kiến thức: Chương 1, 2, 3, 4
Về kỹ năng:
Về năng lực tự chủ và trách nhiệm
 Nghiêm túc trong học tập.
 Rèn luyện tính kiên nhẫn, chính xác tỉ mỉ trong công việc .
7.2. Phương pháp đánh giá kết thúc mơ học theo một trong các hình thức sau:
Kiểm tra thường xuyên
 Số lượng bài: 02

Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện tại
thời điểm bất kỳ trong q trình học thơng qua việc kiểm tra vấn đáp trong
giờ học, kiểm tra viết với thời gian làm bài bằng hoặc dưới 30 phút, kiểm tra
một số nội dung thực hành, thực tập, chấm điểm bài tập.
Kiểm tra định kỳ: Thiết kế nội dung các bài kiểm tra dạng lý thuyết đánh giá
bằng hình thức trắc nghiệm

 Số lượng bài: 04
 Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện
theo theo số giờ kiểm tra được quy định trong chương trình mơn học ở mục
III có thể bằng hình thức kiểm tra viết từ 45 đến 60 phút, chấm điểm bài tập
lớn, tiểu luận, làm bài thực hành, thực tập. Giáo viên biên soạn đề kiểm tra


Stt

lý thuyết kèm đáp án và đề kiểm tra thực hành kèm biểu mẫu đánh giá thực
hành theo đúng biểu mẫu qui định, trong đó:
Bài kiểm tra
Hình thức kiểm tra
Nội dung
Thời gian

1. Bài kiểm tra số 1

Lý thuyết

Chương 1, Chương 2

45÷60 phút

2. Bài kiểm tra số 2

Thực hành

Chương 3

45÷60 phút

3. Bài kiểm tra số 3

Lý thuyết

Chương i 3

45÷60 phút

4. Bài kiểm tra số 4

Thực hành

Chương 4

45÷60 phút

Thi kết thúc mơn học: Thi thực hành,
 Hình thức thi: Thực hành
 Thời gian thi: 45÷60 phút
8. Hướng dẫn thực hiện mơn học
8.1. Phạm vi áp dụng chương trình
Chương trình mơ đun này được áp dụng cho nghề Thí nghiệm điện, hệ Cao đẳng/
Trung cấp
8.2. Hướng dẫn về phương pháp giảng dạy, học tập môn học:
Đối với giáo viên, giảng viên:
 Thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết hoặc tích hợp hoặc thực hành phù
hợp với bài học. Giáo án được soạn theo bài hoặc buổi dạy.
 Tổ chức giảng dạy: (mơ tả chia ca, nhóm...).

 Thiết kế các phiếu học tập (nếu có).
Đối với người học:
 Tài liệu, dụng cụ học tập, vở ghi đầy đủ
 Hoàn thành các bài thực hành kỹ năng.
 Tổ chức làm việc nhóm, làm việc độc lập.
 Tuân thủ qui định an toàn, giờ giấc.
8.3. Những trọng tâm chương trình cần chú ý:
8.4. Tài liệu cần tham khảo:
-

[1] Võ Đình Hiệp, Nguyễn Thiện Tống (1984), Khoa học kỹ thuật phục vụ nông thôn
– Năng lượng, Nhà xuất bản Thành phố Hồ Chí Minh
[2] Phạm Thanh Minh, (1998) Hệ mặt trời và các hành tinh, Nhà xuất bản Trẻ.
[3] Nguyễn Dương Hùng, Nguyễn Bốn (2004) Giáo trình chuyên đề năng lượng mặt
trời, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
[4] Đặng Đình Thống, (2005) Pin mặt trời và ứng dụng, Nhà xuất banr khoa học ky
thuật.
[5] A. A. Mohamad, (1997) High Efficiency Solar Air Heater, Solar Energy Vol. 60
No 2, Pergamon.


CHƯƠNG 1: MẶT TRỜI VÀ TRÁI ĐẤT
 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1:
Chương 1 là chương giới thiệu về mặt trời và trái đất.
 MỤC TIÊU CHƯƠNG 1:
-

Trình bày được cấu trúc của mặt trời.

-

Trình bày đượctổng quan các phản ứng hạt nhân trong mặt trời;

-

Trình bày được lý thuyết về sự thay đổi nhiệt độ theo các tầng khí quyển

-

Thái độ nghiêm túc trong giờ học.

 PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 1
-

Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng,
vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và
bài tập chương 1 (cá nhân hoặc nhóm).

-

Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 1) trước buổi học; hồn
thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 1 theo cá nhân hoặc
nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định.

 ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 1
-

Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: Phịng thí nghiệm điện

-

Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác

-

Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu
tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan.

-

Các điều kiện khác: Khơng có

 KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1
-

Nội dung:

 Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
 Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng.
 Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng mơn học.
+ Nghiêm túc trong q trình học tập.
Tài liệu tham khảo

Trang 5


-

Phương pháp:

 Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)
 Kiểm tra định kỳ: khơng có
 NỘI DUNG CHƯƠNG 1
1. Cấu trúc của mặt trời
Mặt trời là 1 hành tinh nổi bật nhất trong hệ mặt trời của chúng ta. Mặt trời là một khối
khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa
trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để
vượt qua khoảng này đến trái đất). Lớp nhìn thấy bên ngồi của Mặt trời được gọi là
khơng gian quang ảnh và có nhiệt độ 6.000 ° C (11.000 ° F). Lớp này có vẻ ngồi lốm
đốm do sự phun trào hỗn loạn của năng lượng ở bề mặt.

Hình 1: Bên ngồi mặt trời
Năng lượng mặt trời được tạo ra sâu bên trong lõi của Mặt trời. Ở đây, nhiệt độ
(15.000.000 ° C; 27.000.000 ° F) và áp suất (340 tỷ lần áp suất khơng khí của Trái đất
ở mực nước biển) rất dữ dội đến mức xảy ra các phản ứng hạt nhân. Phản ứng này làm
cho bốn hạt nhân proton hoặc hydro hợp nhất với nhau tạo thành một hạt alpha hoặc hạt
nhân helium. Hạt alpha nặng hơn khoảng 7% so với bốn proton. Sự khác biệt về khối
lượng được trục xuất dưới dạng năng lượng và được đưa lên bề mặt của Mặt trời, thông
qua một quá trình được gọi là đối lưu , nơi nó được giải phóng dưới dạng ánh sáng và
nhiệt. Năng lượng được tạo ra trong lõi của Mặt trời phải mất một triệu năm để chạm
Tài liệu tham khảo

Trang 6


tới bề mặt của nó. Cứ sau 700 triệu tấn hydro được chuyển thành tro helium. Trong quá
trình 5 triệu tấn năng lượng tinh khiết được giải phóng; do đó, khi thời gian trôi đi, Mặt

trời đang trở nên nhẹ hơn.
2. Phản ứng hạt nhân trong mặt trời
Phản ứng tổ ng hơp̣ ha ̣t nhân Hêli
Trong quá trình hình thành, nhiê ̣t đô ̣ bên trong mă ̣t trờisẽ tăng dầ n. Khi vùng tâm mă ̣t
trời đa ̣t nhiê ̣t đô ̣ T 107K, thì có đủ điề u kiê ̣n để xảy ra phản ứng tổ ng hơp̣ Hêli từ
Hydrô, theo phương trình : 4H1  He4 + q.
Đây là phản ứng sinh nhiê ̣t q = m.c2, trong đó c = 3.108m/s là vâ ̣n tố c ánh sáng trong
chân không, m = (4mH - mHe) là khố i lươṇ g bi ̣hu ̣t, đươc̣ biế n thành năng lươṇ g theo
phương trình Einstein. Mỗi 1kg ha ̣t nhân H1 chuyể n thành He4 thì bi hu
̣ ̣t mô ̣t khố i lươṇ g
m = 0,01kg, và giải phóng ra năng lươṇ g:
q = m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J
Lươṇ g nhiê ̣t sinh ra sẽ làm tăng áp suấ t khố i khí, khiế n mă ̣t trời phát ra ánh sáng và bức
xa ̣, và nở ra cho đế n khi cân bằ ng với lực hấ p dẫn. Mỗi giây mă ̣t trời tiêu hủy hơn 420
triê ̣u tấ n hydro, giảm khố i lươṇ g m = 4,2 triê ̣u tấ n và phát ra năng lươṇ g Q =
3,8.1026W.
Muố n đa ̣t nhiê ̣t đô ̣ ta ̣i tâm đủ cao để thành mô ̣t ngôi sao, thiên thể cầ n có khố i lươṇ g M
 0,08M0, với M0 = 2.1030kg là khố i lươṇ g mă ̣t trời.
Thời gian xảy ra phản ứng tổ ng hơp̣ Heli nằ m trong khoảng (1081010)năm, giảm dầ n
khi khố i lươṇ g ngôi sao tăng. Khi khố i lươṇ g sao càng lớn nhiê ̣t đô ̣ và áp suấ t của phản
ứng đủ cân bằ ng lực hấ p dẫn càng lớn, khiế n tố c đô ̣ phản ứng tăng, thời gian cháy Hydro
giảm. Giai đoa ̣n đố t Hydro của mă ̣t trời đươc̣ khởi đô ̣ng cách đây 4,5 tỷ năm, và còn
tiế p tu ̣c trong khoảng 5,5 tỷ năm nữa.
Phản ứng tổ ng hơp̣ Cácbon và các nguyên tố khác
Khi nhiên liê ̣u H2 dùng sắ p hế t, phản ứng tổ ng hơp̣ He sẽ yế u dầ n, áp lực bức xa ̣ bên
trong không đủ ma ̣nh để cân bằ ng lực nén do hấ p dẫn, khiế n thể tích co la ̣i. Khi co la ̣i,
khí He bên trong bi ne
̣ ́ n nên nhiê ̣t đô ̣ tăng dầ n, cho đế n khi đa ̣t tới nhiê ̣t đô ̣ 108K, sẽ xảy
ra phản ứng tổ ng hơp̣ nhân Cacbon từ He :
3He4  C12 + q

Phản ứng này xảy ra ở nhiê ̣t đô ̣ cao, tố c đô ̣ lớn, nên thời gian cháy He chỉ bằ ng1/30 thời
gian cháy H2 khoảng 300 triê ̣u năm. Nhiê ̣t sinh ra trong phản ứng làm tăng áp suấ t bức
xa ̣, khiế n ngôi sao nở ra hàng trăm lầ n so với trước. Lúc này mă ̣t ngoài sao nhiê ̣t đô ̣
khoảng 4000K, có màu đỏ, nên go ̣i là sao đỏ khổ ng lồ . Vào thời điể m là sao đỏ khổ ng
lồ , mă ̣t trời sẽ nuố t chửng sao Thủy và sao Kim, nung trái đấ t đế n 1500K thành 1 hành
tinh nóng chảy, kế t thúc sự số ng ta ̣i đây.

Tài liệu tham khảo

Trang 7


Kế t thúc quá trình cháy Heli, áp lực trong sao giảm, lực hấ p dẫn ép sao co la ̣i, làm mâ ̣t
đô ̣ và nhiê ̣t đô ̣ tăng lên, đế n T= 5.106K sẽ xảy ra phản ứng ta ̣o Oxy:
4C12 3O16 + q
Quá trình cháy xảy ra như trên, với tố c đô ̣ tăng dầ n và thời gian ngắ n dầ n. Chu trình
cháy - tắ t - nén - cháy đươc̣ tăng tố c, liên tiế p thực hiê ̣n các phản ứng ta ̣o nguyên tố mới
O16 -> Ne20 -> Na22 -> Mg24 -> Al26 -> Si28 -> P30 -> S32 ->... -> Cr52 -> Mn54 > Fe56
Các phản ứng trên đã ta ̣o ra hơn 20 nguyên tố , tâ ̣n cùng là sắ t Fe56 (gồ m 26 proton và
30 netron), toàn bô ̣ quá trình đươc̣ tăng tố c, xảy ra chỉ trong vài triê ̣u năm.
Sau khi ta ̣o ra sắ t Fe56, chuỗi phản ứng ha ̣t nhân trong ngôi sao kế t thúc, vì viê ̣c tổ ng
hơp̣ sắ t thành nguyên tố nă ̣ng hơn không có đô ̣ hu ̣t khố i lươṇ g, không phát sinh năng
lươṇ g, mà cầ n phải cấ p thêm năng lươṇ g.
Sự tiế n hóa cuả mặt trời
Sau khi tạo ra sắ t, các phản ứng ha ̣t nhân sinh nhiê ̣t tắ t hẳ n, lực hấ p dẫn tiế p tu ̣c nén mă ̣t
trời cho đế n “chế t”. Quá trình hoá thân của mă ̣t trời phu ̣ thuô ̣c cường đô ̣ lực hấ p dẫn,
tức là tuỳ thuô ̣c vào khố i lươṇ g của nó, theo mô ̣t trong ba kich
̣ bản như sau:
Các sao có khố i lươṇ g M (0,7  1,4)M0:
Sau khi hế t nhiên liê ̣u, từ mô ̣t sao đỏ khổ ng lồ đường kính 100.106 km co la ̣i thành sao

lùn trắ ng đường kính cỡ 1500 km, là tra ̣ng thái dừng khi lực hấ p dẫn cân bằ ng với áp
lực ta ̣o ra khi các nguyên tử đã ép sát la ̣i nhau, có khố i lươṇ g riêng cỡ 1012 kg/m3. Nhiê ̣t
sinh ra khi nén làm nhiê ̣t đô ̣ bề mă ̣t sao đa ̣t tới 6000K, sau đó tỏa nhiê ̣t và nguội dầ n
trong mô ̣t tỉ năm thành sao lùn đen hay sao sắ t, như mô ̣t xác sao không thấ y đươc̣ lang
thang trong vũ tru ̣. Mă ̣t trời hoá kiế p theo kiể u này.
Các sao có khố i lươṇ g M  (1,4 5)M0:
Lực hấ p dẫn đủ ma ̣nh để ép nát nguyên tử, ép các ha ̣t nhân la ̣i sát nhau, làm tróc hế t lớp
vỏ điê ̣n tử, ta ̣o ra mô ̣t khố i gồ m toàn neutron ép sát nhau và go ̣i là sao neutron, có đường
kính cỡ 15 km và mâ ̣t đô ̣ 1018kg/m3.
Quá trình co la ̣i với gia tố c lớn và bi chă
̣
̣n đô ̣t ngô ̣t ta ̣i tra ̣ng thái neutron, ta ̣o ra mô ̣t chấ n
đô ̣ng dữ dô ̣i, gây ra vu ̣ nổ siêu sao mới, go ̣i là supernova, phát ra năng lươṇ g bằ ng trăm
triê ̣u lầ n năng lươṇ g mă ̣t trời, làm bắ n tung toàn bô ̣ các lớp ngoài của sao gồ m đủ các
loa ̣i nguyên tố . Lớp vâ ̣t liê ̣u bắ n ra sẽ ta ̣o thành các đám bu ̣i vũ tru ̣ thứ cấ p, để hình thành
các sao thứ cấ p sau đó. Sao neutron mới ta ̣o ra, còn go ̣i là pulsar, sẽ tự quay với tố c đô ̣
khoảng 630 vòng/s và phát bức xa ̣ rấ t ma ̣nh do ̣c tru ̣c, phát tán hế t năng lươṇ g sau vài
triê ̣u năm và sẽ hế t quay, trở thành mô ̣t xác chế t trong vũ tru ̣.
Các sao có khố i lươṇ g M 5M0:
Tài liệu tham khảo

Trang 8


Quá trình tổ ng hơp̣ các ha ̣t nhân nă ̣ng đươc̣ gia tố c, xảy ra rấ t nhanh. Sau khi hế t nhiên
liê ̣u, do lực hấ p dẫn quá lớn, sao su ̣p đổ với gia tố c lớn, co la ̣i liên tu ̣c, không dừng la ̣i
ở tra ̣ng thái neutron, đa ̣t tới bán kính Schwarzschild R = 2GMC2size 12{ { {2 ital
"GM"} over {C rSup { size 8{2} } } } } {}, ta ̣o thành mô ̣t lỗ đen, kèm theo mô ̣t vu ̣ nổ
siêu sao mới. Lỗ đen có khố i lươṇ g riêng khoảng 1023 kg/m3, ta ̣o ra trường hấ p dẫn rấ t
ma ̣nh, làm cong không gian xung quanh tới mức vâ ̣t chấ t kể cả ánh sáng cũng không thể

thoát ra đươc̣ . Mo ̣i thiên thể đế n gầ n đề u bi cuố
̣ n hút như mô ̣t xoáy nước khổ ng lồ . Nế u
đươc̣ nén đế n tra ̣ng thái lỗ đen, đa ̣t tới bán kính hấ p dẫn, thì bán kính Quả đấ t chỉ bằ ng
3cm, bán kính mă ̣t trời là 3 km.
3. Trái đất và khí quyển trái đất
Trái đấ t đươc̣ hình thành cách đây gầ n 5 tỷ năm từ mô ̣t vành đai bu ̣i khí quay quanh mă ̣t
trời, kế t tu ̣ thành mô ̣t quả cầ u xố p tự xoay và quay quanh mă ̣t trời. Lực hấ p dẫn ép quả
cầ u co la ̣i, khiế n nhiê ̣t đô ̣ nổ tăng lên hàng ngàn đô ̣, làm nóng chảy quả cầ u, khi đó các
nguyên tố nă ̣ng như Sắ t và Niken chìm dầ n vào tâm ta ̣o lõi quả đấ t, xung quanh là
magma lỏng, ngoài cùng là khí quyể n sơ khai gồ m H2, He, H2O, CH4, NH3 và H2SO4.
Trái đấ t tiế p tu ̣c quay, tỏa nhiê ̣t và nguô ̣i dầ n. Cách đây 3,8 tỷ năm nhiê ̣t đô ̣ đủ nguô ̣i để
Silicat nổ i lên trên mă ̣t magma rồ i đông cứng la ̣i, ta ̣o ra vỏ trái đấ t dày khoảng 25km,
với núi cao, đấ t bằ ng và hố sâu. Năng lươṇ g phóng xa ̣ trong lòng đấ t với bức xạ mă ̣t trời
tiế p tu ̣c gây ra các biế n đổ i điạ tầ ng, và ta ̣o ra thêm H2O, N2, O2, CO2 trong khí quyể n.
Khí quyể n nguô ̣i dầ n đế n đô ̣ nước ngưng tu ̣, gây ra mưa kéo dài hành triê ̣u năm, tạo ra
sông hồ , biể n và đa ̣i dương.
Cách đây gầ n 2 tỷ năm, những sinh vâ ̣t đầ u tiên xuấ t hiê ̣n trong nước, sau đó phát triể n
thành sinh vâ ̣t cấ p cao và tiế n hoá thành người.
Trái đất, hành tinh thứ 3 tính từ mặt trời, cùng với mặt trăng một vệ tinh duy nhất tạo ra
một hệ thống hành tinh kép đặc biệt. Trái đất là hành tinh lớn nhất trong số các hành
tinh bên trong của hệ mặt trời với đường kính ở xích đạo 12.756 km. Nhìn từ khơng
gian, trái đất có màu xanh, nâu và xanh lá cây với những đám mây trắng thường xuyên
thay đổi. Bề mặt trái đất có một đặc tính mà khơng một hành tinh nào khác có: hai trạng
thái của vật chất cùng tồn tại bên nhau ở cả thể rắn và thể lỏng. Vùng ranh giới giữa biển
và đất liền là nơi duy nhất trong vũ trụ có vật chất hiện hữu ổn định trong cả 3 thể rắn,
lỏng và khí.

Tài liệu tham khảo

Trang 9

Hình 2: Trái đất
Về cấ u ta ̣o, bên trong trái đấ t đươc̣ chia ra 4 lớp. Trong cùng là nhân trong, có bán kính
r  1300km, nhiê ̣t đô ̣ T  4000K, gồ m Sắ t và Niken bi ̣ nén cứng. Tiế p theo là nhân
ngoài, có r  (1300  3500)km, nhiê ̣t đô ̣ T  (2000  4000)K, gồ m Sắ t và Niken lỏng.
Kế tiế p là lớp magma lỏng, chủ yế u gồ m SiO và Sắ t, có r  (3500  6350)km, nhiê ̣t đô ̣
T  (1000  2000)K. Ngoài cùng là lớp vỏ cứng dày trung bình 25 km, có nhiê ̣t đô ̣ T 
(300  1000)K, chủ yế u gồ m SiO và H2O. Lớp vỏ này gồ m 7 mảng lớn và hơn 100
mảng nhỏ ghép la ̣i, chúng trôi trươṭ và va đâ ̣p nhau, gây ra đô ̣ng đấ t và núi lửa, làm thay
đổ i điạ hình.
Hành tinh trái đất di chuyển trên một quỹ đạo gần ellip, mặt trời không ở tâm của ellip,
mà là tại một trong 2 tiêu điểm. Trong thời gian một năm, có khi trái đất gần, có khi xa
mặt trời đơi chút, vì quỹ đạo ellip của nó gần như hình trịn. Hàng năm, vào tháng giêng,
trái đất gần mặt trời hơn so với vào tháng 7 khoảng 5 triệu km, sự sai biệt này quá nhỏ
so với khoảng cách mặt trời đến trái đất. Chúng ta không cảm nhận được sự khác biệt
này trong một vòng quay của trái đất quanh mặt trời, hay trong một năm, sự khác biệt
về khoảng cách này hầu như khơng ảnh hưởng gì đến mùa đơng và mùa hè trên trái đất,
chỉ có điều là vào mùa đơng chúng ta ở gần mặt trời hơn so với mùa hè chút ít.
Trái đất chuyển động quanh mặt trời, đồng thời nó cũng tự quay quanh trục của nó.
Trong thời gian quay một vòng quanh mặt trời, trái đất quay 365 và 1/4 vòng quanh trục.
Chuyển động quay quanh mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động quay quanh trục tạo
nên ngày và đêm trên trái đất. Trục quay của trái đất khơng thẳng góc với mặt phẳng
quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đơng và mùa hè. Trái đất quay, vì thế đối với chúng
ta đứng trên trái đất có vẻ như các vì sao cố định được gắn chặt với quả cầu bầu trời
quay xung quanh chúng ta. Chuyển động quay của trái đất không quá nhanh để lực ly
tâm của nó có thể bắn chúng ta ra ngồi khơng gian. Lực ly tâm tác dụng lên mọi vật
cùng quay theo trái đất, nhưng vô cùng nhỏ. Lực ly tâm lớn nhất ở xích đạo nó kéo mọi
vật thể lên phía trên và làm chúng nhẹ đi chút ít. Vì thế, mọi vật thể ở xích đạo cân nhẹ
hơn năm phần ngàn so với ở hai cực. Hậu quả của chuyển động quay làm cho trái đất

không còn đúng là quả cầu tròn đều nữa mà lực ly tâm làm cho nó phình ra ở xích đạo
Tài liệu tham khảo

Trang 10


một chút. Sự sai khác này thực ra không đáng kể, bán kính trái đất ở xích đạo là
6.378.140km, lớn hơn khoảng cách từ 2 cực đến tâm trái đất là gần 22km.
Sự sống và các đại dương có khả năng tạo ra sự sống chỉ hiện hữu duy nhất trên trái đất.
Trên các hành tinh khác gần chúng ta nhất như sao Kim thì q nóng và sao Hỏa quá
lạnh. Nước trên sao Kim nay đã bốc thành hơi nước, cịn nước trên sao Hoả đã đóng
thành băng bên dưới bề mặt của nó. Chỉ có hành tinh của chúng ta là phù hợp cho nước
ở thể lỏng với nhiệt độ từ 0 đến 100oC. Xung quanh trái đấ t có lớp khí quyể n dày khoản g
H = 800 km chứa N2, O2, H2O, CO2, NOx, H2, He, Ar, Ne. Áp suấ t và khố i lươṇ g
riêng của khí quyể n giảm dầ n với đô ̣ cao y theo quy luâ ̣t:
p(y) = p0.(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cp/R
(y) = 0(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cv/R.
Khí quyển tác động đến nhiệt độ trên hành tinh của chúng ta. Các vụ phun trào núi lửa
cùng với các hoạt động của con người làm ảnh hưởng đến các thành phần cấu tạo của
khí quyển. Vì thế, hệ sinh thái trên hành tinh chúng ta là kết quả của sự cân bằng mong
manh giữa các ảnh hưởng khác nhau. Trong quá khứ, hệ sinh thái này là một hệ thống
cân bằng tự điều chỉnh, nhưng ngày nay do tác động của con người có thể đang là nguyên
nhân làm vượt qua trạng thái cân bằng này.
Lớp khơng khí bao quanh trái đất có thể tích khoảng 270 triệu km3 và nặng khoảng
5.300 tỷ tấn đè lên thân thể chúng ta. Những gì mà chúng ta cảm nhận được chỉ xảy ra
trong tầng thấp nhất, cao khoảng 18km của cột khơng khí khổng lồ này, tuy nhiên, phần
nhỏ này lại đóng vai trị quan trọng nhất đối với sự sống trên hành tinh của chúng ta.
Trong khơng khí chứa khoảng 78% phân tử nitơ và 21% oxy cùng với 1% argon và một
số chất khí khác và hơi nước trong đó có khoảng 0,03% khí cácbonic. Mặc dầu hàm
lượng khí cácbonic rất nhỏ, nhưng lại đóng một vai trò quan trọng đối với sự sống trên

trái đất.

Hình 3: Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển
Tài liệu tham khảo

Trang 11


Càng lên cao áp suất khơng khí giảm và nhiệt độ cũng thay đổi rất nhiều, tuy nhiên nhiệt
độ của khơng khí khơng hạ xuống một cách đơn giản khi chúng ta tiến ra ngồi khơng
gian, nhiệt độ khơng khí giảm và tăng theo một chu trình nhất định. Nhiệt độ ở mỗi tầng
tương ứng với mức tích tụ và loại năng lượng tác động trong tầng đó.
Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển Khí quyển của trái đất có thể
chia làm 4 tầng, trong đó mỗi tầng có một kiểu cân bằng năng lượng khác nhau. Tầng
dưới cùng nhất gọi là tầng đối lưu (Troposphere) tầng này bị chi phối bởi ánh sáng khả
kiến và
tia hồng ngoại, gần 95% tổng số khối lượng và tồn bộ nước trong khí quyển phân bố
trong tầng này tầng đối lưu cao chỉ khoảng 14km. Gần như tồn bộ sự trao đổi năng
lượng giữa khí quyển và trái đất xảy ra trong tầng này. Mặt đất và mặt biển bị hâm nóng
lên bởi ánh nắng mặt trời. Nhiệt độ trung bình trên bề mặt trái đất khoảng 15oC, bức xạ
nhiệt đóng vai trị điều tiết tự nhiên để giữ cho nhiệt độ trên mặt đất chỉ thay đổi trong
một dải tầng hẹp.
Theo lý thuyết, càng lên cao nhiệt độ càng giảm T(y) = T0 - (g/Cp).y, nhưng trong thực
tế thì khơng đúng như vậy. Trên tầng đối lưu là tầng bình lưu (Stratosphere), tại đây
nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại. Nhiệt độ tại vùng chuyển tiếp giữa vùng đối lưu và vùng
bình lưu khoảng -50oC, càng lên cao nhiệt độ lại tăng dần, tại ranh giới của tầng bình
lưu có độ cao khoảng 50km nhiệt độ tăng lên khoảng 0oC. Nguyên nhân gây ra hiện
tượng này là vì các phân tử oxy (O2) và ozon (O3) hấp thụ một phần các tia cực tím đến
từ Mặt trời (90% ozon trong khí quyển chứa trong tầng bình lưu). Nếu tất cả các tia cực
tím này có thể đến mặt đất thì sự sống trên trái đất có nguy cơ bị hủy diệt. Một phần nhỏ

tia cực tím bị hấp thụ bởi O2 trong tầng bình lưu, quá trình này tách một phân tử O2
thành 2 nguyên tử O, một số nguyên tử O phản ứng với phân tử O2 khác để tạo thành
O3. Mặc dầu chỉ một phần triệu phân tử trong khí quyển là ozon nhưng các phân tử ít ỏi
này có khả năng hấp thụ hầu hết ánh sáng cực tím trước khi chúng đến được mặt đất.
Các photon trong ánh sáng cực tím chứa năng lượng lớn gấp 2 đến 3 lần các photon
trong ánh sáng khả kiến, chúng là một trong các nguyên nhân gây bệnh ung thư da.
Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy lượng ozon trong tầng thấp nhất của khí quyển
(tầng đối lưu) ngày càng tăng, trong khi đó hàm lượng ozon trong tầng bình lưu đã bị
giảm 6% từ 20 năm trở lại đây. Hậu quả của sự suy giảm này là các tia cực tím có thể
xuyên qua khí quyển đến mặt đất ngày nhiều hơn và làm nhiệt độ trong tầng bình lưu
ngày càng lạnh đi, trong khi đó nhiệt độ trong tầng đối lưu ngày một nóng lên do hàm
lượng ozon gần mặt đất ngày càng tăng.
Trong tầng giữa (Mesosphere), có độ cao từ 50km trở lên, ozon thình lình mỏng ra và
nhiệt độ giảm dần và lên đến ranh giới cao nhất của tầng này (khoảng 80km) thì nhiệt
độ chỉ khoảng -90oC.
Càng lên cao nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại và sự cấu tạo của khí quyển thay đổi hồn
tồn. Trong khi ở tầng dưới các quá trình cơ học và trong tầng giữa các q trình hố
học xảy ra rất tiêu biểu, thì trong tầng cao nhất của khí quyển các quá trình diễn ra rất
khác biệt. Nhiệt lượng bức xạ rất mạnh của mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành
Tài liệu tham khảo

Trang 12


các ion và electron. Vì thế người ta gọi tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các sóng
điện từ bị phản xạ trong tầng này.
Càng lên cao, bức xạ mặt trời trời càng mạnh, ở độ cao khoảng 600km, nhiệt độ lên đến
1000oc. càng lên cao khí quyển càng mỏng và khơng có một ranh giới rõ ràng phân biệt
gữa khí quyển của trái đất và khơng gian. người ta thống nhất rằng khí quyển chuẩn của
trái đất có độ cao 800km.

Câu hỏi:
1. Trình bày cấu tạo của hệ mặt trời?
2. Trình bày sự thay đổi nhiệt độ theo dộ cao của tầng khí quyển?

Tài liệu tham khảo

Trang 13


CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI
 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2:
Chương 2 là chương giới thiệu về năng lượng bức xạ mặt trời
 MỤC TIÊU CHƯƠNG 2:
-

Trình bày được lý thuyết về bức xạ mặt trời.

-

Tính tốn được năng lượng mặt trời dựa trên năng lượng bức xạ

-

Trình bày được cách đo cường độ bức xạ mặt trời.

-

Thái độ nghiêm túc trong giờ học.

-

Cẩn thận, tỉ mỉ trong quá trình đọc thiết bị.

 PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 2
-

Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng,
vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và
bài tập chương 2 (cá nhân hoặc nhóm).

-

Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 2) trước buổi học; hoàn
thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 2 theo cá nhân hoặc
nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định.

 ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 2
-

Phòng học chun mơn hóa/nhà xưởng: Phịng thí nghiệm điện

-

Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác

-

Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu
tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan.

-

Các điều kiện khác: Khơng có

 KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 2
-

Nội dung:

 Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
 Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng.
 Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học.
Tài liệu tham khảo

Trang 14


+ Nghiêm túc trong quá trình học tập.
-

Phương pháp:

 Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)
 Kiểm tra định kỳ lý thuyết: 1 điểm kiểm tra
 NỘI DUNG CHƯƠNG 2
1. Năng lượng bức xạ mặt trời
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân

xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ  ban đầu khi đi qua 5.105km chiều
dày của lớp vật chất mặt trời, bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ
đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ  là sóng ngắn nhất trong
các sóng đó (hình 2.1). 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 Rơngen 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 khơng gian bên ngồi mặt trời là một phổ
rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 - 10 m và hầu như một
nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 m đó là
vùng nhìn thấy của phổ.

Hình 4: Dải bức xạ điện từ
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.

Tài liệu tham khảo

Trang 15