Giáo trình hướng dẫn cách tính năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển phần 1 docx

21
quyóứn, tờnh õọỳi vồùi vồùi 1m
2
bóử mỷt õỷt vuọng goùc vồùi tia bổùc xaỷ, õổồỹc tờnh theo
cọng thổù :

qCT
DT
=

_
.(/ )
0
4
100

õỏy

DT
- hóỷ sọỳ goùc bổùc xaỷ giổợa traùi õỏỳt vaỡ mỷt trồỡi


DT
=
2
4/


- goùc nhỗn mỷt trồỡi vaỡ

32 nhổ hỗnh 2.2
C
0
= 5,67 W/m
2
.K
4
- hóỷ sọỳ bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi
T 5762
o
K -nhióỷt õọỹ bóử mỷt mỷt trồỡi (xem giọỳng vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi)
Vỏỷy
4
2
100
5762
.67,5.
4
60.360
32.14,3.2

=q
1353 W/m
2


32'
149 500 000 km 1.7%
Mỷt trồỡi
Traùi õỏỳt
D = 1 390 000 km
D'= 12 700 km
Hỗnh 1.2 : Goùc nhỗn mỷt trồỡi

Do khoaớng caùch giổợa traùi õỏỳt vaỡ mỷt trồỡi thay õọứi theo muỡa trong nm
nón

cuợng thay õọứi do õoù q cuợng thay õọứi nhổng õọỹ thay õọứi naỡy khọng lồùn
lừm nón coù thóứ xem q laỡ khọng õọứi vaỡ õổồỹc goỹi laỡ hũng sọỳ mỷt trồỡi.
Khi truyóửn qua lồùp khờ quyóứn bao boỹc quanh traùi õỏỳt caùc chuỡm tia bổùc xaỷ
bở hỏỳp thuỷ vaỡ taùn xaỷ bồới tỏửng ọzọn, hồi nổồùc vaỡ buỷi trong khờ quyóứn, chố mọỹt
phỏửn nng lổồỹng õổồỹc truyóửn trổỷc tióỳp tồùi traùi õỏỳt. ỏửu tión ọxy phỏn tổớ bỗnh
thổồỡng O
2
phỏn ly thaỡnh ọxy nguyón tổớ O, õóứ phaù vồợ lión kóỳt phỏn tổớ õoù, cỏửn
phaới coù caùc photon bổồùc soùng ngừn hồn 0,18àm, do õoù caùc photon (xem bổùc xaỷ
nhổ caùc haỷt rồỡi raỷc - photon) coù nng lổồỹng nhổ vỏỷy bở hỏỳp thuỷ hoaỡn toaỡn. Chố
mọỹt phỏửn caùc nguyón tổớ ọxy kóỳt hồỹp thaỡnh caùc phỏn tổớ, coỡn õaỷi õa sọỳ caùc

Hỗnh 2.2. Goùc nhỗn mỷt trồỡi.
Giỏo trỡnh hng dn cỏch tớnh nng lng bc x
mt tri qua lp khớ quyn


22
nguyón tổớ tổồng taùc vồùi caùc phỏn tổớ ọxy khaùc õóứ taỷo thaỡnh phỏn tổớ ọzọn O
3
,
ọzọn cuợng hỏỳp thuỷ bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi nhổng vồùi mổùc õọỹ thỏỳp hồn so vồùi ọxy, dổồùi
taùc duỷng cuớa caùc photon vồùi bổồùc soùng ngừn hồn 0,32àm, sổỷ phỏn taùch O
3

thaỡnh O
2
vaỡ O xaớy ra. Nhổ vỏỷy hỏửu nhổ toaỡn bọỹ nng lổồỹng cuớa bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi
õổồỹc sổớ duỷng õóứ duy trỗ quaù trỗnh phỏn ly vaỡ hồỹp nhỏỳt cuớa O, O
2
vaỡ O
3
, õoù laỡ
mọỹt quaù trỗnh ọứn õởnh. Do quaù trỗnh naỡy, khi õi qua khờ quyóứn, bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi
bióỳn õọứi thaỡnh bổùc xaỷ vồùi nng lổồỹng nhoớ hồn.
1353 W/m2
1000 W/m2
Tia phaớn xaỷ
Bổùc xaỷ khuyóỳch taùn
Mỏỳt maùt do sổỷ hỏỳp thuỷ
Sổỷ phaớn xaỷ
Khờ

quyóứn
Bóử mỷt traùi õỏỳt
(Trồỡi quang õaợng)
Khoaớng khọng Vuợ truỷ




Caùc bổùc xaỷ vồùi bổồùc soùng ổùng vồùi caùc vuỡng nhỗn thỏỳy vaỡ vuỡng họửng
ngoaỷi cuớa phọứ tổồng taùc vồùi caùc phỏn tổớ khờ vaỡ caùc haỷt buỷi cuớa khọng khờ nhổng
khọng phaù vồợ caùc lión kóỳt cuớa chuùng, khi õoù caùc photon bở taùn xaỷ khaù õóửu theo
moỹi hổồùng vaỡ mọỹt sọỳ photon quay trồớ laỷi khọng gian vuợ truỷ. Bổùc xaỷ chởu daỷng
taùn xaỷ õoù chuớ yóỳu laỡ bổùc xaỷ coù bổồùc soùng ngừn nhỏỳt. Sau khi phaớn xaỷ tổỡ caùc
phỏửn khaùc nhau cuớa khờ quyóứn bổùc xaỷ taùn xaỷ õi õóỳn chuùng ta mang theo maỡu
Hỗnh 2.3. Quaù trỗnh truyóửn nng lổồỹng bổùc xaỷ mỷt trồỡi qua
lồùp khờ quyóứn cuớa traùi õỏỳt.



23
xanh lam cuớa bỏửu trồỡi trong saùng vaỡ coù thóứ quan saùt õổồỹc ồớ nhổợng õọỹ cao khọng
lồùn. Caùc gioỹt nổồùc cuợng taùn xaỷ rỏỳt maỷnh bổùc xaỷ mỷt trồỡi. Bổùc xaỷ mỷt trồỡi khi õi
qua khờ quyóứn coỡn gỷp mọỹt trồớ ngaỷi õaùng kóứ nổợa õoù laỡ do sổỷ hỏỳp thuỷ cuớa caùc
phỏửn tổớ hồi nổoùc, khờ cacbọnic vaỡ caùc hồỹp chỏỳt khaùc, mổùc õọỹ cuớa sổỷ hỏỳp thuỷ
naỡy phuỷ thuọỹc vaỡo bổồùc soùng, maỷnh nhỏỳt ồớ khoaớng giổợa vuỡng họửng ngoaỷi cuớa
phọứ.
Phỏửn nng lổồỹng bổùc xaỷ mỷt trồỡi truyóửn tồùi bóử mỷt traùi õỏỳt trong nhổợng
ngaỡy quang õaợng (khọng coù mỏy) ồớ thồỡ
i õióứm cao nhỏỳt vaỡo khoaớng 1000W/m
2

hỗnh 2.3.
Yóỳu tọỳ cồ baớn xaùc õởnh cổồỡng õọỹ cuớa bổùc xaỷ mỷt trồỡi ồớ mọỹt õióứm naỡo õoù
trón traùi õỏỳt laỡ quaợng õổồỡng noù õi qua. Sổỷ mỏỳt maùt nng lổồỹng trón quaợng
õổồỡng õoù gừn lióửn vồùi sổỷ taùn xaỷ, hỏỳp thuỷ bổùc xaỷ vaỡ phuỷ thuọỹc vaỡo thồỡi gian
trong ngaỡy, muỡa, vở trờ õởa lyù. Caùc muỡa hỗnh thaỡnh laỡ do sổỷ nghióng cuớa truỷc traùi
õỏỳt õọỳi vồùi mỷt phúng quyợ õaỷo cuớa noù quanh mỷt trồỡi gỏy ra. Goùc nghióng vaỡo
khoaớng 66,5
o
vaỡ thổỷc tóỳ xem nhổ khọng õọứi trong khọng gian. Sổỷ õởnh hổồùng
nhổ vỏỷy cuớa truỷc quay traùi õỏỳt trong chuyóứn õọỹng cuớa noù õọỳi vồùi mỷt trồỡi gỏy ra
nhổợng sổỷ dao õọỹng quan troỹng vóử õọỹ daỡi ngaỡy vaỡ õóm trong nm.
Phỏn bọỳ cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ õồn saùc E
0

() cuớa mỷt trồỡi õổồỹc xaùc õởnh theo
õởnh luỏỷt Planck, coù daỷng:

e
C
E
T
C
1
2
5
1
0
.

=




Dióỷn tờch phờa dổồùi
õổồỡng cong seợ mọ taớ
cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn
phỏửn E
0
cuớa Mỷt trồỡi.
Phỏửn cọng suỏỳt mang tia
saùng (AS) thỏỳy õổồỹc laỡ:


E
AS
=


==


0
00
10.8,0
10.4,0
0
5,0)(5,0)(
6

6
EdEdE



E
0

õaỷt cổc trở taỷi
m
= 2,98.10
-3
/T
0
= 0,5àm vaỡ
E
0

max
= E
0

(
m
,T
0
) = 8,3.10
13
W/m
3

Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn phỏửn: E
0
=
0
.T
0
4
= 6,25.10
7
W/m
2

Cọng suỏỳt bổùc xaỷ toaỡn phỏửn cuớa Mỷt trồỡi:
Q
0
= E
0
.F = .D
2
.
0
.T
0
4
= 3,8.10
26
W.
Cọng suỏỳt naỡy bũng 4.10
13

lỏửn tọứng cọng suỏỳt õióỷn toaỡn thóỳ giồùi hióỷn nay, vaỡo
khoaớg P = 10
13
W.

E
o



W/m

TN
AS HN
VT

83
80
60
40
20
0
0,02
0,4
0,5 0,8
400

50%E
o
E

o


à

H.8 - Phỏn bọỳ
E
(

) cuớa Mỷt
trồỡi
o

Hỗnh 2.4. Phỏn bọỳ E
0

() cuớa mỷt trồỡi


24
2.2. Phơng pháp tính toán năng lợng bức xạ mặt trời
Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ mỷt trồỡi trón mỷt õỏỳt chuớ yóỳu phuỷ thuọỹc 2 yóỳu tọỳ: goùc
nghióng cuớa caùc tia saùng õọỳi vồùi mỷt phúng bóử mỷt taỷi õióứm õaợ cho vaỡ õọỹ daỡi
õổồỡng õi cuớa caùc tia saùng trong khờ quyóứn hay noùi chung laỡ phuỷ thuọỹc vaỡo õọỹ
cao cuớa mỷt trồỡi (Goùc giổợa phổồng tổỡ õióứm quan saùt õóỳn mỷt trồỡi vaỡ mỷt phúng
nũm ngang õi qua õióứm õoù). Yếu tố cơ bản xác định cờng độ của bức xạ mặt
trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đờng nó đi qua. Sự mất mát năng
lợng trên quãng đờng đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc
vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có

thể xác định theo phơng trình sau:
E
ng
= E
o
(1+0, 033cos
365
360n
), W/m
2

trong đó, E
ng
là bức xạ ngoài khí quyển đợc đo trên mặt phẳng vuông góc với
tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
2.2.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm nh sau:
- Hệ số khối không khí: m, là tỷ số giữa khối lợng khí quyển theo phơng tia
bức xạ truyền qua và khối lợng khí quyển theo phơng thẳng đứng (tức là khi
mặt trời ở thiên đỉnh). Nh vậy m =1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc
thiên đỉnh
z
là 60
0
. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-70
0
có thể xác định gần
đúng m =1/cos
z
. Còn đối với các góc

z
>70
0
thì độ cong của bề mặt trái đất
phải đợc đa vào tính toán. Riêng đối với trờng hợp tính toán bức xạ mặt trời
ngoài khí quyển m =0.
- Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận đợc khi không bị bầu khí quyển phát tán.
Đây là dòng bức xạ có hớng và có thể thu đợc ở các bộ thu kiểu tập trung
(hội tụ).
- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận đợc sau khi hớng của nó đã bị thay đổi do
sự phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tợng, tán xạ còn đợc
gọi là bức xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ
hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra).
- Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng
xạ trên một bề mặt nằm ngang, thờng gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).


25
- Cờng độ bức xạ (W/m
2
): là cờng độ năng lợng bức xạ mặt trời đến một bề
mặt tơng ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cờng độ bức xạ cũng bao
gồm cờng độ bức xạ trực xạ E
trx
, cờng độ bức xạ tán xạ E
tx
và cờng độ bức
xạ quang phổ E
qp
.

- Năng lợng bức xạ (J/m
2
: là năng lợng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị
diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, nh vậy năng lợng bức xạ là một
đại lợng bằng tích phân của cờng độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất
định (thờng là 1 giờ hay 1 ngày).
- Giờ mặt trờ : là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu
trời, với quy ớc giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh
của ngời quan sát. Giờ mặt trời là thời gian đợc sử dụng trong mọi quan hệ về
góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức
xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể
đợc xác định theo các góc đặc trng sau (hình 2.5):
- Góc vĩ độ

: vị trí góc tơng ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam
đờng xích đạo trái đất, với hớng phía bắc là hớng dơng.
- 90
0
90
0

- Góc nghiêng

: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phơng nằm
ngang.
0 180
0

( > 90

0
nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hớng xuống phía dới).
- Góc phơng vị của bề mặt

: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên
mặt phẳng nằm ngang so với đờng kinh tuyến. Góc = 0 nếu bề mặt quay về
hớng chính nam, lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu
bề mặt quay về phía đông.
-180
0
180
0