Tìm hiểu và nghiên cứu giải thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện năng lượng mặt trời

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU
KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI, 2024

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU
KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số : 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Tùng Linh

HÀ NỘI, 2024

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tơi
tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mơ phỏng, thực nghiệm đều
do chính bản thân tơi tự làm ra, hồn tồn khơng phải sao chép của từ bất kỳ một tài
liệu hoặc cơng trình nghiên cứu nào khác.
Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tơi xin chịu hồn tồn
trách nhiệm trước kỷ luật của nhà trường.

Hà nội , ngày....... tháng........năm 2024
Tác giả

Nguyễn Hồng Nguyên

i

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin cảm ơn thầy hướng dẫn luận văn của tôi là TS. Nguyễn Tùng
Linh - Giảng viên hướng dẫn trực tiếp. Cảm ơn vì cánh cửa đến văn phịng của thầy
ln rộng mở mỗi khi tơi gặp phải rắc rối hoặc có câu hỏi về vấn đề nghiên cứu của
mình. Thầy vẫn ln cho phép tôi tự do bày tỏ quan điểm đồng thời đưa ra những nhận
xét, góp ý, dẫn dắt tơi đi đúng hướng trong suốt thời gian nghiên cứu, thực hiện đề tài
luận văn thạc sĩ.
Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật điều khiển & Tự động
hóa – Trường Đại học Điện Lực đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên sâu về
chuyên ngành trong suốt thời gian học tập để tơi có được nền tảng kiến thức hỗ trợ rất
lớn cho tơi trong q trình làm luận văn thạc sĩ.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè vì đã ln hỗ trợ tơi và
khuyến khích liên tục trong suốt những năm học tập và qua quá trình nghiên cứu và

viết luận văn này. Thành tựu này sẽ khơng thể có được nếu khơng có họ.
Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội , ngày....... tháng........năm 2024
Tác giả

Nguyễn Hồng Nguyên

ii

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Thế giới đang tiến xa trong việc sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng
lượng mặt trời. Cơng nghệ năng lượng tái tạo và chính sách của chính phủ khuyến
khích sử dụng các nguồn năng lượng này để đảm bảo sự phát triển bền vững là những
yếu tố chính thúc đẩy việc áp dụng năng lượng tái tạo.
Hiệu suất của hệ thống PV phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bất định, trong đó yếu
tố bóng che, nhiệt độ, là hai yếu tố tác động lớn đến hiệu suất của PV, đây cũng là bài
toán được rất nhiều các nhóm nghiên cứu trên thế giới tìm hiểu và đề xuất giải thuật.
Trong đề tài này, tác giả tìm hiểu các thuật toán đã được đề xuất để giải quyết
bài toán MPPT, thơng qua việc tìm hiểu các thuật tốn, trong đề tài này tác giả nghiên
cứu tìm hiểu các giải thuật tìm điểm cực đại cơng suất của pin mặt trời đặc biệt là giải
thuật P&O từ đề xuất cải tiến thuật tốn P&O, kết quả nghiên cứu được mơ phỏng và
đánh giá cho kết quả tin cậy.

Tác giả

Nguyễn Hồng Nguyên

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................ii
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN........................................................................iii
MỤC LỤC................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ..............................................................................................vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................ix
LỜI MỞ ĐẦU..............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
....................................................................................................................................... 2
1.1 Năng lượng mặt trời.................................................................................................2

1.1.1 Cấu trúc của mặt trời......................................................................................2
1.1.2 Năng lượng mặt trời........................................................................................3
1.1.3 Bức xạ năng lượng mặt trời............................................................................4
1.1.4 Phổ Bức xạ năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất.........................5
1.1.5 Sự suy giảm của cường độ bức xạ năng lượng mặt trời..................................7
1.2 Cấu tạo và hoạt động của Pin năng lượng mặt trời...................................................9
1.2.1 Khái niệm.......................................................................................................9
1.2.2 Mô phỏng tế bào quang điện và đặc tính P-V...............................................11
1.3 Cấu trúc hệ thống điện năng lượng mặt trời...........................................................13
1.3.1 Mơ hình lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời......................................14
1.3.2 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới.......................................................15
1.3.3 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập...................................................16
1.3.4 Hệ thống điện năng lượng mặt trời lai..........................................................17
1.4 Nhận xét chương 1.................................................................................................17
CHƯƠNG 2. ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN BÁM SUẤT CỰC ĐẠI
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI..........................................18
2.1 Mơ hình hóa tốn học hệ thống pin năng lượng mặt trời.......................................18

2.1.1 Mơ hình một diode........................................................................................18
2.1.2 Mơ hình hai diode.........................................................................................19
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điện mặt trời.............................20
2.3 Ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ lên đặc tính P-V..............................................22

iv

2.4 Dị điểm cơng suất cực đại (MPPT).......................................................................24
2.4.1 Sử dụng bộ biến đổi điện áp DC...................................................................25
2.4.2 Một số mạch biến đổi điện áp DC cơ bản:....................................................26

2.5 Một số giải thuật tìm điểm công xuất cực đại.........................................................28
2.5.1 Các thuật tốn thơng thường.........................................................................31
2.5.2 Thuật tốn meta-heuristic.............................................................................31

CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT
CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI...................................................57
3.1 Giải pháp đề xuất....................................................................................................57
3.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá...............................................................................62
3.3 Nhận xét và đánh giá..............................................................................................72

v

DANH MỤC HÌN

Hình 1-1 Cấu trúc mặt trời............................................................................................2
Hình 1-2 Dải bước sóng của năng lượng mặt trời.........................................................4
Hình 1-3 Đường kinh tuyến và vĩ tuyến của trái đất.....................................................5
Hình 1-4 Bức xạ năng lượng mặt trời trong và ngồi khí quyển...................................6
Hình 1-5 Định nghĩa và cách xác định giá trị air mass..................................................8

Hình 1-6 Tấm Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều Cell.............................10
Hình 1- 7 Mơ hình tương đương của tế bào quang điện..............................................11
Hình 1- 8 Các đường đặc tính P-V của tế bào quang điện...........................................12
Hình 1-9 Mơ hình điện năng lượng nối lưới trực tiếp.................................................14
Hình 1-10 Mơ hình điện năng lượng mặt trời độc lập.................................................15
Hình 1-11 Mơ hình điện năng lượng mặt trời vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid). . .15
Hình 1-12 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới.................................................16
Hình 1-13 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập..................................................16
Hình 1-14 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời lai.........................................................17
YHình 2-1 Sơ đồ mơ hình 1 diode................................................................................18
Hình 2-2 Sơ đồ tương đương 2 diode..........................................................................19
Hình 2-3 Đặc tuyến P-V, I-V và P-I khi thay đổi bức xạ và nhiệt độ..........................23
Hình 2-4 Đặc tuyến P-V thay đổi: a: bức xạ hoặc nhiệt độ; b: cả bức xạ và nhiệt độ..23
Hình 2-5 Sơ đồ tương đương pin mặt trời nối tải........................................................24
Hình 2-6 Điểm làm việc của pin mặt trời....................................................................25
Hình 2-7 Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp nối pin mặt trời...........................................25
Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck........................................................................26
Hình 2- 9 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost DC................................................................27
Hình 2- 10 Sơ đồ biến đổi điện áp Buck - Boost.........................................................28
Hình 2-11 Đường cong P-V của hệ thống PV trong PSC............................................31
Hình 2-12 So sánh MPPT của DynNP-DE và DE.......................................................32
Hình 2-13 Cấu trúc tối ưu hóa của MSSA...................................................................36
Hình 2-14 So sánh MPPT của FPA và MFPA. (a) FPA và (b) MFPA........................37
Hình 2-15 Kết quả mơ phỏng của thuật tốn Monkey king evolution.........................38
Hình 2-16 So sánh MPPT của IGSA, GSA và PSO. (a) công suất và (b) điện áp.......40
Hình 2-17 Lưu đồ của FWA........................................................................................40
Hình 2-18 So sánh MPPT của MBA và TLBO, (a) trường hợp 1 và (b) trường hợp 241
Hình 2-19 So sánh MPPT của IPSO, GWO và WODE...............................................43
Hình 2-20 Khung tối ưu hóa của DLCI.......................................................................45
Hình 2-21 So sánh MPPT của P&O, P&O cải tiến và AFL-ANN..............................46

Hình 2-22 Lưu đồ thuật tốn ABC-P & O...................................................................48

vi

Hình 2-23 So sánh MPPT của MFS và FS..................................................................49
Hình 2-24 So sánh MPPT của GPS, PSO và P&O. (a) công suất và (b) điện áp.........50
Hình 2-25 So sánh MPPT của ESC và EQmESC........................................................51
Hình 2-26 Sơ đồ khối điển hình của FLC....................................................................51
Hình 2-27 Cấu trúc và nguyên tắc của ANN...............................................................53
Hình 2-28 Ngun tắc tối ưu hóa MRL.......................................................................53
Hình 2-29 Ngun tắc tối ưu hóa của TRL.................................................................55
YHình 3-1 Các kiểu bóng che theo: a: hàng; b: cột; c: một góc; d&e: đường chéo; f, g,
h: một phần .................................................................................................................57
Hình 3-2 Cấu trúc hệ thống mơ phỏng trong PSIM.....................................................58
Hình 3-3 Sơ đồ cải tiến giải thuật P&O đề xuất..........................................................61
Hình 3-4 Dạng sóng P, V và D khi MPPT trong các trường hợp bóng che.................62
Hình 3-5 So sánh hai giải pháp MPPT trong điều kiện tiêu chuẩn..............................63
Hình 3-6 MPPT khi bức xạ thay đổi giảm tại nhiệt độ 25oC.......................................64
Hình 3-7 MPPT khi bức xạ thay đổi tăng tại nhiệt độ 25oC........................................65
Hình 3-8 So sánh MPPT khi thay đổi cả bức xạ và nhiệt độ.......................................66
Hình 3-9 So sánh tốc độ MPPT và số lượng các bước lặp của hai giải pháp...............67
Hình 3-10 Sơ đồ kết nối mơ hình thực nghiệm...........................................................67
Hình 3-11 Kết quả thực nghiệm TH2..........................................................................68
Hình 3-12 Kết quả thực nghiệm TH3..........................................................................68
Hình 3-13 Kết quả thực nghiệm TH4..........................................................................69
Hình 3-14 Pmax của PV khi bức xạ thay đổi.................................................................71
Hình 3-15 GMPPT khi bức xạ thay đổi liên tục..........................................................71

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 So sánh MPPT của CSO, QCSO và CQCSO...............................................38
Bảng 2-2 Kết quả MPPT của WDO............................................................................42
Bảng 2-3 So sánh MPPT của GA, FA và MGA-FA....................................................44
Bảng 2-4 so sánh hiệu suất tối ưu điểm MPPT............................................................45
Bảng 2-5 So sánh MPPT của PSO, FPA và Jaya-DE..................................................47
Bảng 3- 1 Kết quả MPPT của giái pháp đề xuất cho các kiểu bóng che......................62
Bảng 3- 2 Các trường hợp thay đổi bức xạ và nhiệt độ trong thử nghiệm...................66
Bảng 3- 3 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm.................................................70
Bảng 3- 4 So sánh kết quả của các giải thuật tối ưu điểm MPPT................................70

viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ix

STT Viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt

1 ABCO Artificial bee colony Thuật tốn tối ưu hóa đàn ong

optimization nhân tạo

2 ACO Ant Colony Optimization Thuật toán tối ưu hóa đàn kiến

3 AFSA Artificial fish swarm Thuật tốn bầy cá nhân tạo

algorithm

4 ANN Artificial Neural Network Mạng nơ ron nhân tạo

5 ANN- Artificial Neurel Network- Mạng nơron nhân tạo kết hợp

SMC Monte Carlo Simulation với Monte Carlo tuần tự

6 AV Artificial Vision Thị giác nhân tạo

7 BA Bat search algorithm Thuật tốn tìm kiếm dơi

8 BN Bayes Mạng Bayes

9 BOA Butterfly optimization Thuật tốn tối ưu hóa bướm

algorithm

10 CS Cuckoo search Thuật tốn tìm kiếm chim cúc

cu

11 CSO Chicken swarm optimization Thuật toán tối ưu hóa đàn gà

12 CSO Cat swarm optimization Thuật tốn tối ưu hóa đàn mèo

13 DANC- Direct adaptive neural control Thuật toán kết hợp điều khiển

VC and voltage traverse mạng nơ-ron thích nghi trực

tiếp (DANC) với truyền tải

điện áp phản hồi (VC)

14 DC/AC Direct current/Alternating Khối biến đổi một chiều –

current xoay chiều

15 DC/DC Direct current/Direct current Khối biến đổi một chiều - một

chiều

16 DE Differential evolution Cấu trúc thuật toán cơ bản của

đột biến

17 DEPSO Differential Evolution- Thuật toán phương pháp kết

Particle Swarm Optimization hợp giữa PSO và DE

18 DLCI Dynamic leader based Chiến lược năng động dựa trên

collective intelligence trí thơng minh tập thể

19 ĐMT Điện mặt trời Điện mặt trời

20 ESC Extreme Search Control Thuật tốn điều khiển tìm

kiếm cực trị

21 FA Firefly algorithm Thuật tốn đom đóm

22 FPA Flower pollination algorithm Thuật toán thụ phấn hoa

23 FS Fibonacci Tìm kiếm Fibonacci

24 FWA Fireworks algorithm Thuật toán pháo hoa

25 GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền

26 GMPP Global maximum power point Điểm công suất tối đa

x

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay năng lượng sạch đang là vấn đề được các quốc gia quan tâm, song song
với nhu cầu phát triển đó sự phát triển của khoa học cơng nghệ cũng được nghiên cứu
mạnh mẽ về công nghệ vật liệu, công nghệ điều khiển, các bài toán tối ưu,…
Nhiệt độ, bóng che là hai trong nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống
PV. Bài tốn tìm điểm cơng suất cực đại MPPT là bài tốn được nhiều nhà khoa học,
nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả tìm hiểu các khái niệm, cấu trúc,
ưu điểm, các bài toán trong hệ thống điện năng lượng mặt trời. Tìm hiểu bài tốn
MPPT, các phương pháp giải quyết bài tốn. Thơng qua việc tìm hiểu thuật tốn P&O,
đó là phương pháp nhiễu loạn và quan sát - Perturb and Observer (P&O). Từ đó đề
xuất cải tiến thuật tốn P&O để nâng cao độ chính xác và tốc độ xử lý
Kết quả nghiên cứu được mô phỏng trên phần mềm Psim và thiết kế mơ hình để
đánh giá và đo kiểm tra. Kết quả nghiên cứu có độ chính xác cao, thời gian nhanh và
tin cậy.

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Trong chương này tác giả trình bày tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt

trời bao gồm: cấu trúc, thành phần của hệ thống điện năng lượng, tìm hiểu về tế bào
quang điện và đường đặc tính P-V. Thơng qua chương này, tác giả giới thiệu một số
bài toán điều khiển cần được nghiên cứu trong hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.1 Năng lượng mặt trời

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 cũng là nguồn gốc của các
nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng
các dịng sơng… Năng lượng mặt trời có thể nói là vơ tận. Tuy nhiên, 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.
1.1.1 Cấu trúc của mặt trời

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 bán kính của
mặt trời là R = 1,4.106 km, tức là bằng 109 lần đường 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 1,4g/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
160g/cm3, nhưng càng ra phía ngồi mật độ càng giảm và giảm rất nhanh.

2

Hình 1-1 Cấu trúc mặt trời
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong và

phần khí quyển bên ngồi. 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 1.1.
Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định. Thực ra bên
trong mặt trời ln ln có sự vận động mạnh mẽ khơng 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 khơng ngừng trong lịng mặt trời. Ngồi 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.
1.1.2 Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời được con người khai
thác và lưu trữ và chuyển đổi thành điện năng thông qua tấm pin năng lượng mặt trời.
Đây là nguồn năng lượng gần như vô tận.
Năng lượng mặt trời gần như khơng có ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, là một
nguồn nguyên liệu sạch, thân thiện, góp phần bảo vệ mơi trường và giảm thiểu hiệu
ứng nhà kính.
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm
19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%. Năng lượng do
mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J, tương

3

đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả
đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tương đương năng
lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá

Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng hạt
nhân. Theo thuyết tương đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lượng
có thể chuyển thành năng lượng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 6000o K, cịn

ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đô. Áp suất bên trong mặt trời
cao hơn 340.108 MPa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật
chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn. Chúng va
chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Người ta đã xác định được
nguồn năng lượng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các
phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ, và phản ứng hạt nhân
Proton.Proton.
Khối lượng của mặt trời xấp xỉ 2.1027 tấn. Như vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối
lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm. Từ đó có thể
thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và vô tận.
1.1.3 Bức xạ năng lượng mặt trời

Bức xạ mặt trời có bản chất là song điện từ, là quá trình truyền các dao động điện
từ trường trong khơng gian. Trong q trình truyền sóng, các vectơ cường độ điện
trường và cường độ từ trường luôn luôn vng góc với nhau và vng 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 λ. Trong chân khơng vận tốc truyền của sóng
điện từ gần đúng bằng c = 3.108 m/s. Cịn trong mơi 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
107 nm (nano met) đến hàng nghìn km.

4

Hình 1-2 Dải bước sóng của năng lượng mặt trời
Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4µm đến 0,8µm , chỉ chiếm một phần rất
nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời. Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ
nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng λ khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học,
hóa học và sinh học rất khác nhau. Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác
nhau về bước sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng. Khi đi từ

bước sóng dài    µm đến giới hạn sóng ngắn    µm ta nhận thấy màu sắc
của ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mắt người nhạy
nhất với ánh sáng màu vàng có bước sóng   µm. Sự phân bố năng lượng đối với
các bước sóng khác nhau cũng khác nhau. Khi bức xạ mặt trời đi ngang qua tầng khí
quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân tử khí, các hạt bụi,...hấp thu hoặc bị làm tán
xạ, nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến bề mặt trái đất bị thay đổi rất đáng kể.
1.1.4 Phổ Bức xạ năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất
Quả đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng
7991 km bao gồm các phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và
các đám mây,…Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí quyển đó để đến được
mặt đất thì năng lượng của nó bị thay đổi đáng kể.
Ở bên ngồi lớp khí quyển quả đất, cơng suất bức xạ mặt trời là hằng số và có giá
trị là 1353W/ m2. Giá trị này được gọi là hằng số mặt trời. Phổ của bức xạ mặt trời là
một đường cong liên tục có năng lượng chủ yếu nằm trong vùng bước sóng từ 0,1µm
đến 3 µm (Hình 1-2). Đường phân bố này gần giống đường phân bố phổ bức xạ của

5

một vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 5726 K. Cực đại của phổ bức xạ mặt trời nằm ở bước
sóng 0,48µm và ứng với mật độ cơng suất 2.074W/m2

Hình 1-3 Đường kinh tuyến và vĩ tuyến của trái đất
Khi các bức xạ mặt trời xuyên vào lớp khí quyển quả đất, gặp các phân tử khí, hơi
nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần năng
lượng của nó khơng tới được mặt đất. Đối với những ngày trong sáng thì sự suy giảm
năng lượng của các tia bức xạ mặt trời do ba quá trình vật lý sau xảy ra một cách đồng
thời:
- Sự hấp thụ chọn lọc do các phân tử hơi nước H2O, O2, O3 và CO2
- Sự tán xạ Rayleith trên các phân tử khí, các hạt bụi,..
- Tán xạ Mie

Hình 1-4 Bức xạ năng lượng mặt trời trong và ngồi khí quyển
6

Tán xạ Rayleith là sự tán xạ của tia mặt trời lên các phân tử khí hay các hạt bụi có
kích thước rất nhỏ so với bước sóng λ của bức xạ. Theo lý thuyết Rayleith thì hệ số tán
xạ trong quá trình này tỉ lệ với . Một cách gần đúng, có thể đánh giá rằng, 50% năng
lượng của các tia bức xạ tán xạ bị mất đi khi đi qua lớp khí quyển trái đất, chỉ còn 50%
đến được quả đất theo các hướng khác nhau, và được gọi là bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ
tán xạ. Sự tán xạ xảy ra trên các hạt bụi nói chung có kích thước lớn hơn rất nhiều so với
kích thước các phân tử khí nên việc tính tốn trở nên rất khó khăn. Vì kích thước và mật
độ của chúng biến đổi từ vừng này sang vùng khác và còn phụ thuộc vào độ cao và thời
gian. Tán xạ Mie là tán xạ xảy ra khi kích thước của các hạt bụi lớn hơn bước sóng của
bức xạ, khi đó sự suy giảm cưởng độ bức xạ do hai nguyên nhân: do sự tán xạ thực sự
(phân bố lại năng lượng mới) và do sự hấp thụ bức xạ bởi các hạt bụi. Trong nguyên
nhân thứ 2, một phần năng lượng của bức xạ biến thành nhiệt. Phần bức xạ còn lại sau
tán xạ Mie, hướng đến quả đất nên cũng được gọi là bức xạ nhiễu xạ. Do bức xạ bị hấp
thu bởi các phần tử khí O2, O3 ở các vùng cao của lớp khí quyển nên vùng bước sóng tử
ngoại  µm trong phổ mặt trời đã bị biến mất khi đến mặt đất. Trong vùng hồng
ngoại, sự hấp thụ xảy ra chủ yếu do hơi nước H2O và CO2. Kết quả của các q trình nói
trên làm cho cường độ bức xạ mặt trời tới mặt đất yếu đi rất nhiều so với ở ngoài vũ trụ
và đường cong phân bố phổ của nó ở mặt đất khơng cịn được liên tục như ở ngồi khí
quyển quả đất, mà bị “xẻ” thành nhiều “rãnh” hoặc các “vùng rãnh” như đã chỉ ra trên
Hình 1-3. Trong các ngày mây mù, sự suy giảm bức xạ mặt trời còn xảy ra mạnh hơn.
Một phần đáng kể bức xạ mặt trời bị phản xạ lại vũ trụ từ các đám mây, một phần khác
bị các đám mây hấp thụ, phần còn lại truyền đến quả đất như là bức xạ nhiễu xạ. Tổng
các bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ do phản xạ và tán xạ từ các đám mây, từ các
phân tử khí, từ các hạt bụi và từ mặt đất (bao gồm các vật cản như nhà cửa, cây cối,…)
được gọi là Albedo của hệ khí quyển quả đất và có khoảng giá trị vào khoảng 30%.
Tóm lại ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:

- Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt trời
đến mặt đất, khơng bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển.
- Bức xạ Nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ, phản xạ,…
Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụ
thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát. Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ khơng
có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời. Tổng hai thành

7