Giáo trình phân tích và hướng dẫn tìm hiểu về quy luật chiếu sáng của hành tinh phần 2 pps

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.


36
2.3.6. Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ (DA)
Tích số DA của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ đợc xem nh ký hiệu
biểu diễn tính chất của một tổ hợp bộ thu và kính (DA). Trong số bức xạ xuyên
qua kính và tới bề mặt bộ thu, một phần lại bị phản xạ trở lại hệ thống kính.
Tuy nhiên, không phải tất cả lợng bức xạ này bị mất đi mà một phần lớn trong
số đó lại đợc phản xạ trở lại bộ thu nhờ hiệu ứng lồng kính (nh biểu diễn
trong hình 2.13), trong đó D là hệ số truyền qua của hệ thống kính và A là hệ số
hấp thụ của bề mặt bộ thu.
Nh vậy trong số năng lợng tới, DA là phần sẽ đợc bộ thu hấp thụ, còn
(1-A)D là phần bị phản xạ trở lại hệ thống kính che. Sự phản xạ này đợc giả
thiết là khuếch tán và nh vậy phần năng lợng (1- A)D tới tấm phủ là bức xạ

khuếch tán và (1- A).D.R
d
là phần đợc phản xạ trở lại bề mặt bộ thu. Đại lợng
R
d
là hệ số phản xạ của hệ thống kính đối với bức xạ khuếch tán từ bề mặt bộ
thu và có thể xác định từ phơng trình R
d
= D
a
(1-D
r
) = D
a
- D nh độ chênh
lệch giữa D
a
và D ở góc tới 60
0
. Nếu hệ thống kính gồm 2 lớp (hay nhiều lớp)
thì R
d
sẽ hơi khác so với độ phản xạ khuếch tán của bức xạ tới. Sự phản xạ
nhiều lần đối với bức xạ khuếch tán sẽ tiếp tục để cho phần năng lợng tới đợc
hấp thụ có trị số:

() ( )
[]
()

=

==
0
11
1
n
d
n
d
RA
DA
RADADA

D
D(1-)R
22
D
(1-)D
(1-
)DR
(1-
) DR
(1-
) DR
2
2
D(1-) R
2

d
d
d
d
d
Bức xạ mặt trời đến
Hệ thống lớp kính
Bề mặt hấp thụ

Hình 2.13. Quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính


37
Nói khác đi, sẽ có (DA) phần năng lợng bức xạ truyền tới đợc bề mặt hấp thụ
bộ thu.
Trong thực tế A khá lớn và R
d
khá nhỏ nên một cách gần đúng ngời ta
thờng xác định:
(DA) = 1,01 . D . A
Do D và A phụ thuộc góc tới nên đơng nhiên tích số (DA) cũng phụ
thuộc góc tới . Để xác định quan hệ giữa (DA) và có thể sử dụng đồ thị ở
hình 2.14, trong đó (DA)
n
là tích số (DA) ứng với trờng hợp tia tới vuông góc
với bề mặt bộ thu ( = 0).


2.3.7. Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ đợc của bộ thu
Năng lợng bức xạ mặt trời đợc bộ thu hấp thụ gồm 3 thành phần

chính: trực xạ, tán xạ, phản xạ của mặt đất. Với bộ thu đặt nghiêng một góc ta
có tổng bức xạ mặt trời hấp thụ của bộ thu nh sau:

() () ()()







++






+
+=
2
cos1
2
cos1

g
dbd
d
d
b

bb
DAEERDAEDABES
E
b
, E
d
là cờng độ bức xạ trực xạ và tán xạ,
010203040
50
60
70 80 90
0
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
n
( )
o
Số lớp kính 1
2
3
4
(D

)
(D)
Hình 2.14. Đờng cong (DA)/(DA)
n
của bộ thu có 1,2,3,4 lớp kính.


38
B
b
là tỷ số giữa bức xạ trực xạ lên mặt phẳng nghiêng và lên mặt phẳng
nằm ngang,
(1+cos)/2 và (1-cos)/2 là hệ số góc của bộ thu đối với tơng ứng bầu
trời và mặt đất,
(DA)
b
, (DA)
d,
(DA)
g
là tích số hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ tơng
ứng đối với trực xạ, tán xạ và phản xạ từ mặt đất.

2.4. Cân bằng nhiệt và nhiệt độ cân bằng của vật thu bức xạ mặt trời
Nhióỷt õọỹ cỏn bũng cuớa vỏỷt thu bổùc xaỷ mỷt trồỡi laỡ nhióỷt õọỹ ọứn õởnh trón
bóử mỷt vỏỷt, khi coù sổỷ cỏn bũng giổợa cọng suỏỳt bổùc xaỷ vỏỷt hỏỳp thuỷ õổồỹc vaỡ cọng
suỏỳt nhióỷt phaùt tổỡ vỏỷt ra mọi trổồỡng.
Nhióỷt õọỹ cỏn bũng chờnh laỡ nhióỷt õọỹ lồùn nhỏỳt maỡ vỏỷt coù thóứ õaỷt tồùi sau
thồỡi gian thu bổùc xaỷ mỷt trồỡi õaợ lỏu, khi U cuớa vỏỷt = 0.
Nhióỷt õọỹ cỏn bũng cuớa vỏỷt thu bổùc xaỷ mỷt trồỡi laỡ nhióỷt õọỹ ọứn õởnh trón

bóử mỷt vỏỷt, khi coù sổỷ cỏn bũng giổợa cọng suỏỳt bổùc xaỷ vỏỷt hỏỳ
p thuỷ dổồỹc vaỡ cọng
suỏỳt nhióỷt phaùt tổỡ vỏỷt ra mọi trổồỡng.
Ta seợ lỏỷp cọng thổùc
tờnh nhióỷt õọỹ cỏn bũng T
cuớa vỏỷt V coù dióỷn tờch
xung quanh F, hóỷ sọỳ hỏỳp
thuỷ A, hóỷ sọỳ bổùc xaỷ õỷt
trong chỏn khọng caùch mỷt
trồỡi mọỹt khoaớng r coù dióỷn
tờch hổùng nừng F
t
, laỡ hỗnh
chióỳu cuớa F lón mỷt phúng
vuọng goùc tia nừng, hay
chờnh laỡ dióỷn tờch caùi
boùng cuớa V. Phổồng trỗnh
cỏn bũng nhióỷt cho V coù
daỷng:
Cọng suỏỳt do V hỏỳp thuỷ
= Cọng suỏỳt phaùt bổùc xaỷ tổỡ
V.
Hay: A.E
t
.F
t
= E.F A.
0
.T
0

4
(D/2r)
2
.F
t
= .
0
.T
0
4
F . Suy ra:
T(r, F
t
, F, A, ) =
4
1
2
1
0
2

F
AF
r
D
T
t

, [K]
Ft
MT TRèI
D, To
T, F, A,

r
Ft()
F, V, A, C, ,
t()
E()
tf

MT


Hỗnh 2.15. Xaùc õởnh T vaỡ t ()


39
Nóỳu V laỡ vỏỷt xaùm, coù A = , thỗ T(r, F

t
, F) =
4
1
2
1
0
2












F
F
r
D
T
t
, [K]
Nóỳu V laỡ vỏỷt xaùm hỗnh cỏửu, coù F
t
/F=1/4, thỗ T(r) =

r
D
T
0
2
1
, [K]
Nóỳu vỏỷt V coù thọng sọỳ (, C, , A, F, V) õỷt trong khờ quyóứn nhióỷt õọỹ t
f
,
toaớ nhióỷt phổùc hồỹp hóỷ sọỳ , thỗ phổồng trỗnh cỏn bũng nhióỷt trong thồỡi gian d
cho V la ỡ:
Q
A
= dU + Q


hay A.E
n
.sin(.).F
t
().d = .V.C.dt + .F.(t - t
f
) .d
coù daỷng
)sin()(

t
m
F
VC
AE
VC
F
t
d
dt
=+
Khi bióỳt luỏỷt thay õọứi dióỷn tờch thu nng F
t
(), coù thóứ giaới phổồng trỗnh vi
phỏn vồùi õióửu kióỷn õỏửu t( = 0) = t
f
õóứ tỗm haỡm bióỳn õọứi t() cuớa nhióỷt õọỹ vỏỷt
theo thồỡi gian.

2.5. Đo cờng độ bức xạ mặt trời.
Ngoài phơng pháp xác định cờng độ bức xạ mặt trời tại một điểm bất
kỳ dựa trên vị trí địa lý (độ cao mặt trời trời) nh trên, trong thực tế ngời ta đã
chế tạo các dụng cụ đo cờng độ bức xạ mặt trời (pyrheliometer, actinometer -
đo bức trực xạ, và pyranometer, Solarimeter- đo tổng xạ ).

Trực xạ kế - Pyrheliometer
Nhật xạ kế - P
y
ranomete
r



Đầu đo - Sensor

24

Chơng 2.
định luật nhiệt động I

2.1. phát biểu định luật nhiệt động I

Định luật nhiệt động I là định luật bảo toàn và biến hoá năng lợng viết cho
các quá trình nhiệt động. Theo định luật bảo toàn và biến hoá năng lợng thì năng
lợng toàn phần của một vật hay một hệ ở cuối quá trình luôn luôn bằng tổng đại
số năng lợng toàn phần ở đầu quá trình và toàn bộ năng lợng nhận vào hay nhả
ra trong quá trình đó.
Nh đã xét ở mục 1.1.3.2. trong các quá trình nhiệt động, khi không xẩy ra
các phản ứng hoá học và phản ứng hạt nhân, nghĩa là năng lợng hoá học và năng
lợng hạt nhân không thay đổi, khi đó năng lợng toàn phần của vật chất thay đổi
chính là do thay đổi nội năng U, trao đổi nhiệt và công với môi trờng.
Xét 1kg môi chất, khi cấp vào một lợng nhiệt dq thì nhiệt độ thay đổi một
lợng dT và thể tích riêng thay đổi một lợng dv. Khi nhiệt độ T thay đổi chứng tỏ
nội động năng thay đổi; khi thế tích v thay đổi chứng tỏ nội thế năng thay đổi và
môi chất thực hiện một công thay đổi thể tích, Nh vậy khi cấp vào một lợng
nhiệt dq thì nội năng thay đổi một lợng là du và trao đổi một công là dl.
- Định luật nhiệt động I phát biểu: Nhiệt lợng cấp vào cho hệ một phần
dùng để thay đổi nội năng, một phần dùng để sinh công:
dq = du + dl (2-1)
- ý nghĩa của định luật nhiệt động: Định luật nhiệt động I cho phép ta viết
phơng trình cân bằng năng lợng cho một quá trình nhiệt động.

2.2. Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động i

Định luật nhiệt động I có thể đợc viết dới nhiều dạng khác nhau nh sau:
Trong trờng hợp tổng quát:
dq = du + dl (2-1)
Đối với 1 kg môi chất:
q = u + l (2-2)

Đối với G kg môi chất:
Q = U + L (2-3)
Mặt khác theo định nghĩa entanpi, ta có: i = u + pv,
Lấy đạo hàm ta đ
ợc: di = du + d(pv) hay du = di - pdv - vdp, thay vào (2-1) và
chú ý dl = pdv ta có dạng khác của biểu thức định luật nhiệt động I nh sau:
dq = di - pdv - vdp + pdv
dq = di - vdp (2-4)
Hay: dq = di + dl
kt
(2-5)
Đối với khí lý tởng ta luôn có:
du = C
v
dT
di = C
p
dT
thay giá trị của du và di vào (2-1) và (2-4) ta có dạng khác của biểu thức định luật
nhiệt động I :