Năng lượng mặt trời phần 5 pdf

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
.


31
Trong tênh toạn k thût, cọ thãø coi cỉåìng âäü bỉïc xả tåïi màût âáút l hm
ca thåìi gian τ, tênh tỉì lục màût tråìi mc, τ = 0 âãún khi màût tråìi làûn τ =τ

n
/2, våïi
τ
n
=24h = 24.3600s nhỉ sau: E(τ) = E
n
.sinϕ(τ)
ϕ(τ) = ω.τ l gọc nghiãng tia nàõng so våïi màût âáút,


srad
n
/10.72,7
3600.24
22
5−
===
π
τ
π
ω
l täúc âäü gọc tỉû xoay ca trại âáút,
E
n
[W/m
2
] l cỉåìng âäü bỉïc xả cỉûc âải trong ngy, láúy trë trung bçnh c
nàm theo theo säú liãûu säú liãûu âo lỉåìng thỉûc tãú tải vé âäü cáưn xẹt.

2.3. Bøc x¹ mỈt trêi trun qua kÝnh

§é hÊp thơ, trun qua vµ ph¶n x¹ cđa vËt liƯu lµ hµm sè cđa bøc x¹ trun
tíi, ®é dµy vµ chØ sè khóc x¹ cđa líp vËt liƯu ®ã. HÇu hÕt c¸c bé thu NLMT ®Ịu
sư dơng kÝnh lµm vËt liƯu che phđ bỊ mỈt bé thu v× tÝnh chÊt quang häc −u viƯt
cđa nã.
2.3.1. HiƯu øng lång kÝnh
Hiãûu ỉïng läưìng kênh
l hiãûn tỉåüng têch lu nàng
lỉåüng bỉïc xả ca màût tråìi
phêa dỉåïi mäüt táúm kênh
hồûc mäüt låïp khê no âọ,
vê dủ CO
2
hồûc NO
x
. Gii
thêch hiãûu ỉïng läưng kênh
nhỉ sau: Táúm kênh hồûc
låïp khê cọ âäü trong âån
sàõc D
λ
gim dáưn khi bỉåïc
sọng
λ
tàng. Cn bỉåïc
sọng λ
m
khi E
λ
cỉûc âải, l
bỉåïc sọng mang nhiãưu

nàng lỉåüng nháút, thç lải
gim theo âënh lût Wien
λ = 2,9.10
-3
/T.
Bỉïc xả màût tråìi, phạt ra tỉì nhiãût âäü cao T
0
= 5762K, cọ nàng lỉåüng táûp
trung quanh sọng λ
m0
= 0,5µm, s xun qua kênh hon ton, vç D(λ
m0
) ≈ 1.
Bỉïc xả thỉï cáúp, phạt tỉì váût thu cọ nhiãût âäü tháúp, khong T ≤ 400K, cọ nàng
lỉåüng táûp trung quanh sọng λ
m
= 8µm, háưu nhỉ khäng xun qua kênh, vç D(λ
m
)
E
λ
(µm)
λ
λ
mo
= 0,5
λ
m
= 8
λ

D
0
0
1
To
T
Hinh 2.9. Hiãûu ỉïng läìng kênh.


32
0, vaỡ bở phaớn xaỷ laỷi mỷt thu. Hióỷu sọỳ nng lổồỹng (vaỡo - ra) > 0, õổồỹc tờch luyợ
phờa dổồùi tỏỳm kờnh, laỡm nhióỷt õọỹ taỷi õoù tng lón.

2.3.2. Sự phản xạ của bức xạ mặt trời
Đối với các bề mặt nhẵn, biểu thức Fresnel của độ phản xạ bức xạ qua
môi trờng thứ nhất có độ khúc xạ (chiết suất) n
1
đến môi trờng thứ 2 có chiết
suất n
2
là:

()
()
12
2
12
2
sin
sin

+

=

r đối với thành phần vuông góc.
r
//
=
()
()
12
2
12
2


+

tg
tg
đối với thành phần song song của bức xạ .
r =
i
r
E
E
=
2

//
rr +

là độ phản xạ trung bình của hai thành phần song
song và vuông góc.
E
i
, E
r
, tơng ứng là cờng độ bức xạ tới, cờng độ bức xạ phản xạ.
Các góc
1
và
2
là góc tới và góc khúc xạ (hình 2.10) có quan hệ với độ khúc
xạ n theo định luật Snell:
1
2
2
1
sin
sin


=
n
n

Nh vậy nếu biết các đại lợng góc
1

,
2
, và chiết suất các môi trờng n
1
, n
2
ta
có thể xác định đợc độ phản xạ r của bề mặt. Đối với tia bức xạ tới vuông góc


1
2
n
1
n
2
môi truờng 1
môi truờng 2
E
i
r
E
d
E


Hình 2.10. Quá trình truyền của tia bức xạ.


33

1
,
2
= 0 và các phơng trình trên có thể kết hợp:
()
2
21
21
0








+

==
nn
nn
E
E
r
i
r

Nếu một môi trờng là không khí (chiết suất n

2
1) thì:
()
2
1
1
0
1
1








+

==
n
n
E
E
r
i
r

Đối với các loại bộ thu NLMT, thờng sử dụng kính hoặc vật liệu màng
mỏng trong suốt phủ trên bề mặt hấp thụ nhiệt bức xạ, vì vậy luôn có 2 bề mặt

ngăn cách của mỗi lớp vật liệu phủ gây ra tổn thất phản xạ. Nếu bỏ qua nhiệt
lợng hấp thụ của lớp vật liệu này và xét tại thời điểm mà chỉ có thành phần
vuông góc của bức xạ tới (hình 2.11), thì đại lợng (1 - r

) của tia bức xạ tới sẽ
tới đợc bề mặt thứ 2, trong đó (1 - r

)
2
đi qua bề mặt phân cách và r

(1 - r

)
bị phản xạ trở lại bề mặt phân cách thứ nhất v.v Cộng tất cả các thành phần
đợc truyền qua thì hệ số truyền qua của thành phần vuông góc:

()
(
)






+

=

==
r
r
r
r
rrd
n
1
1
1
1
1
2
22

Đối với thành phần song song cũng có kết quả tơng tự và hệ số truyền
qua trung bình của cả hai thành phần:









+

+

+

=


r
r
r
r
d
r
1
1
1
1
2
1

Nếu bộ thu có N lớp vật liệu phủ trong suốt nh nhau thì:

() ()






+

+

+

=


rN
r
rN
r
d
rN
121
1
121
1
2
1

1 r (1-r) r
2
(1-r) r
2
2
(1-r)
(1-r) r
2
(1-r) r
24
(
1

-
r
)

r
2
2
(
1
-
r
)

r
(
1
-
r
)

3
3
(
1
-
r
)

r
(

1
-
r
)

r
4

Hình 2.11. Quá trình truyền của tia bức xạ qua lớp phủ không hấp thụ.


34
2.3.3. Tổn thất do hấp thụ bức xạ của kính
Sự hấp thụ bức xạ trong vật liệu không trong suốt đợc xác định bởi định
luật Bougure

dựa trên giả thiết là bức xạ bị hấp thụ tỷ lệ với cờng độ bức xạ
qua vật liệu và khoảng cách x mà bức xạ đi qua: dE = - EKdx với K là hằng số
tỷ lệ. Lấy tích phân dọc theo đờng đi của tia bức xạ trong vật liệu từ 0 đến
/cos
2
(với là chiều dày của lớp vật liệu) ta có hệ số truyền qua của vật liệu
khi có hấp thụ bức xạ:
D
a
=
i
d
E
E

= exp









2
cos


K

Trong đó, E
d
là cờng độ bức xạ truyền qua lớp vật liệu.
Đối với kính: K có trị số xấp xỉ 4m
-1
đối với loại kính có cạnh màu trắng
bạc và xấp xỉ 32m
-1
đối với loại kính có cạnh màu xanh lục.
2.3.4. Hệ số truyền qua và hệ số phản xạ của kính
Hệ số truyền qua, hệ số phản xạ và hệ số hấp thụ của một lớp vật liệu có
thể đợc xác định nh sau :
Đối với thành phần vuông góc của bức xạ:

()
()
()










+

=


=







2
2
2
2

1
1
1
1
1
1
a
a
a
a
Dr
r
r
r
D
Dr
rD
D


()
()
()




+=

+= DDr
Dr
rDr
rR
a
a
a
.1
.1
.1
2
22


()








=


a
a
Dr
r

DA
.1
1
1

Thành phần song song của bức xạ cũng đợc xác định bằng các biểu
thức tơng tự. Đối với bức xạ tới không phân cực, các tính chất quang học đợc
xác định bằng trung bình cộng của hai thành phần này.
Đối với các bộ thu NLMT thực tế, D
a
thờng lớn hơn 0,9 và r 0,1. Vì
vậy từ phơng trình trên ta có giá trị D

1 (tơng tự D
//
1).
2.3.5. Hệ số truyền qua đối với bức xạ khuếch tán


Do bức xạ khuếch tán là vô hớng nên về nguyên tắc lợng bức xạ này
truyền qua kính có thể đợc xác định bằng cách tích phân dòng bức xạ theo tất
cả các góc tới. Tuy nhiên do sự phân bố góc của bức xạ khuếch tán nói chung


35
không thể xác định đựơc nên khó xác định biểu thức tích phân này. Nếu bức xạ
khuếch tán đến không phụ thuộc góc tới thì có thể tính toán đơn giản hóa bằng
cách định nghĩa một góc tơng đơng đối với bức xạ có cùng hệ số truyền qua
nh tán xạ. Đối với một khoảng khá rộng các điều kiện tính toán thì góc tơng
đơng này là 60

0
. Nói cách khác, trực xạ với góc tới 60
0
có cùng hệ số truyền
qua nh bức xạ khuếch tán đẳng hớng.
Hình 2.12 là quan hệ giữa góc tới hiệu quả của bức xạ tán xạ đẳng hớng
và bức xạ phản xạ từ mặt đất với các góc nghiêng khác nhau của bộ thu. Có thể
xác định gần đúng quan hệ này bằng biểu thức toán học sau:
- Đối với bức xạ phản xạ từ mặt đất:

hq
= 90 - 0,5788 + 0,002693
2

- Đối với bức xạ khuếch tán:

hq
= 59,7 - 0,1388 + 0,001497
2




55
60
65
70
75
80
85

90
Bức xạ phản
xạ từ mặt đất
Bức xạ khuếch
tán từ bầu trời

hq

Góc tới hiệu quả,

Hình 2.12. Góc tới hiệu quả của tán xạ đẳng hớng và bức xạ
phản xạ từ mặt đất trên mặt phẳng nghiêng.