Giáo trình hướng dẫn cách tính năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển phần 2 ppsx

26

- Góc giờ

: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của
kinh tuyến địa phơng do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy
giá trị 15
0
cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+).
- Góc tới

: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
- Góc thiên đỉnh

z
: góc giữa phơng thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
Trong trờng hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới .
- Góc cao mặt trời


: góc giữa phơng nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức
là góc phụ của góc thiên đỉnh.
- Góc phơng vị mặt trời

s
: góc lệch so với phơng nam của hình chiếu tia bức
xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu
hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu dơng (+) nếu hình chiếu lệch về phía
tây.

- Góc lệch

: vị trí góc của mặt trời tơng ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là
khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phơng) so với mặt phẳng của xích đạo trái
đất, với hớng phía bắc là hớng dơng.
-23,45
0
23,45
0

Mặt
trời




z
z
z

N
B
Đ
T
Thiên
đỉnh
Pháp tuyến từ mặt
phẳng nằm ngang

Hình 2.5. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng


27
Góc lệch có thể tính toán theo phơng trình của Cooper:
= 23,45.sin(360
365
284 n
+
)
trong đó n là thứ tự ngày của 1 năm .
Quan hệ giữa các loại góc đặc trng ở trên có thể biểu diễn bằng phơng
trình giữa góc tới và các góc khác nh sau:
cos = sin.sin. cos - sin.cos. sin.cos + cos.cos.cos.cos +
+ cos.sin.sin.cos.cos + cos.sin.sin.sin
và: cos = cos
z
.cos + sin
z
.sin.cos(
s
- )
Đối với bề mặt nằm ngang góc tới chính là góc thiên đỉnh của mặt trời
z
, giá
trị của nó phải nằm trong khoảng 0
0
và 90
0
từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời

ở thiên đỉnh ( = 0):
cos
z
= cos.cos.cos + sin.sin

2.2.2. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang:
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài
khí quyển đợc xác định theo phơng trình:

zongo
n
EE

cos.
365
.360
cos.033.01
.






+=



Thay giá trị cos
z

vào phơng trình trên ta có E
o.ng
tại thời điểm bất kỳ từ lúc
mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn:
()

sin.sincos.cos.cos
365
360
cos.033.01
.
+






+=
n
EE
ongo

Tích phân phơng trình này theo thời gian từ khi mặt trời mọc đến khi
mặt trời lặn (6h đến 18h mặt trời) ta sẽ đợc E
o. ngay
là năng lợng bức xạ mặt
trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày:

+






+=




sin.sin
180
sin.cos.cos
365
360
cos.033.01
3600.24
.
s
s
o
ngayo
n
E

E
với
s
là góc giờ mặt trời lặn (
0
) (tức là góc giờ khi
z
= 90
0
)





tgtg
s
.
cos.cos
sin.sin
cos ==



28
Ngời ta cũng xác định năng lợng bức xạ ngày trung bình tháng E
oth

bằng cách thay giá trị n và trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày
trung bình của tháng và độ lệch tơng ứng.

Năng lợng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định
có thể xác định khi phân tích phơng trình 1.9 trong khoảng thời gian giữa các
góc giờ
1
và
2
:
()
()







+






+=




sin.sin
180

sinsincos.cos
365
360
033.01
3600112
12
21.
n
E
x
E
ogioo

2.2.3. Tổng cờng độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất
Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần
chính đó là trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ đã đựơc khảo sát ở trên, còn thành
phần tán xạ thì khá phức tạp. Hớng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là
hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lợng này lại thay
đổi khá nhiều. Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần (hình
2.6).
- Thành phần tán xạ đẳng hớng: phần tán xạ nhận đợc đồng đều từ toàn bộ
vòm trời.
- Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung
quanh tia mặt trời.
- Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đờng chân trời.


29
Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ R
g

(còn gọi là albedo
-suất phân chiếu) của mặt đất. Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ bề mặt
tuyết xốp có R
g
= 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần
lợt bị phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời.
Nh vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các
dòng bức xạ bao gồm: trực xạ E
b
, 3 thành phần tán xạ E
d1
, E
d2
, E
d3
và bức xạ
phản xạ từ các bề mặt khác lân cận E
r
:
E

= E
b
+ E
d1
+ E
d2
+ E
d3
+ E

r

Tuy nhiên việc tính toán các đại lợng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy
ngời ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của
mặt đất là đẳng hớng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức
xạ phản xạ của mặt đất là nh nhau trong mọi trờng hợp không phụ thuộc
hớng của bề mặt. Nh vậy tổng xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ
E
b
.B
b
và tán xạ trên mặt nằm ngang E
d
.
Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc so với phơng nằm ngang sẽ
có tổng xạ bằng tổng của 3 thành phần:








+

+
+=

2
cos1
.
2
cos1


gdbb
REEBEE
thành phần tán
xạ đẳng huớng
thành phần tán
xạ chân trời
thành phần tán
xạ quanh tia
Tia trực xạ

Hình 2.6. Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán.


30
Trong đó : E

là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang,
(1 + cos)/2 = F
cs

là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời
(1 - cos)/2 = F
cg
là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất
R
g
là hệ số phản xạ bức xạ của môi trờng xung quanh.
Và ta có tỷ số bức xạ B
b
của bề mặt nghiêng góc so với bề mặt ngang:

zzn
n
bng
n
b
E
E
E
E
B




cos
cos
cos.
cos.
===

E
n
là cờng độ bức xạ mặt trời tới theo phơng bất kỳ,
E
bng
là bức xạ mặt trời theo phơng vuông góc với mặt nằm ngang,
E
bngh
là bức xạ mặt trời theo phơng vuông góc với mặt phẳng nghiêng,
cos và cos
z
đợc xác định bởi các phơng trình trên và các góc đợc
biểu diễn trên hình 2.8.








Tán xạ
đẵng
huớng
Tán xạ
chân trời
Tán xạ
quanh tia
Tia trực xạ

Mặt đất
Phản xạ từ mặt đất


Hình 2.7. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng.


z
E
bng
E
n


E
bngh
n
E
Hình 2.8. Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm n
g
an
g
và n
g
hiên
g
.