xây dựng bộ điều khiển nối lưới nguồn năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
o0o



PHẠM THỊ HỒNG ANH




XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI







LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT







THÁI NGUYÊN 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
o0o



PHẠM THỊ HỒNG ANH


XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI

THÁI NGUYÊN - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Phạm Thị Hồng Anh
Ngày tháng năm sinh: Ngày 20 tháng 10 năm 1986
Nơi sinh: Thành phố Thái Nguyên – Tỉnh Thái Nguyên
Nơi công tác: Trường ĐH Công nghệ thông tin và truyền thông
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Chuyên ngành: Tự động hóa
Khoá học: 2009 - 2011

TÊN ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI

Người hướng dẫn khoa học: PGS - TS Lại Khắc Lãi
Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN





PGS - TS Lại Khắc Lãi
HỌC VIÊN





Phạm Thị Hồng Anh
DUYỆT BAN GIÁM HIỆU




KHOA SAU ĐẠI HỌC





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là
những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của
các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.


Tác giả



Phạm Thị Hồng Anh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

MỤC LỤC

Trang phụ bìa
Trang
Lời cam đoan

Mục lục
1
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
3
Danh mục các bảng
4
Danh mục các hình vẽ
5
Mở đầu
7
Chương 1. Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử
dụng
11
1.1. Nguồn năng lượng mặt trời
11
1.1.1. Cấu trúc mặt trời

11
1.1.2. Năng lượng mặt trời
12
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời
13
1.1.4. Đặc điểm bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất
15
1.2. Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời
21
1.2.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
22
1.2.2. Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
26
1.3. Kết luận chương 1
29
Chương 2. Thiết kế mạch động lực hệ thống mặt trời nối lưới
30
2.1. Sơ đồ hệ thống năng lượng pin mặt trời 46
30
2.1.1. Bộ đóng cắt mềm
30
2.1.2. Bộ nghịch lưu
31
2.1.3. Bộ Boost converter
31
2.1.4.Thiết bị điều khiển
32
2.1.5. Pin mặt trời
33
2.2. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lưới 52

34
2.2.1. Các điều kiện hòa đồng bộ 52
34
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2.2.2. Đồng vị pha trong hai hệ thống nối lưới 52
36
2.3. Thiết kế mạch động lực hệ thống điện mặt trời 57
36
2.3.1. Sơ đồ khối mạch động lực
36
2.3.2. Các thông số kỹ thuật
37
2.3.3. Bộ chuyển đổi DC-DC
37
2.3.4. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC
45
2.3.5. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-AC
50
2.3.6. Mô tả sơ đồ
53
2.4. Kết luận chương 2
56
Chương 3. Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới
57
3.1. Mở đầu
57
3.2. Mạch tạo tín hiệu điều khiển các van của biến tần
59

3.3. Mạch điều khiển công suất 84
63
3.4. Trình độ hoạt động của hệ thống
64
3.5. Kết quả mô phỏng …………………………………………………
65
3.6. Ảnh hưởng của sóng điều chế đến điện áp ra và sóng hài ………
67
3.7. Kết luận chương 3 …………………………………………………
69
Kết luận chung về luận văn ……………………………………………….
70
Tài liệu tham khảo………………………………………………………….
72

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - Danh mục bảng, hình vẽ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

NLMT: Năng lượng mặt trời
DC: Điện áp một chiều
AC: Điện áp xoay chiều
BĐK: Bộ điều khiển
DCM: Chế độ dòng gián đoạn
CCM: Chế độ dòng liên tục
PV: Pin mặt trời
HF: Bộ chuyển đổi tần số cao
PWM: Điều chế độ rộng xung
PWMS: Điều chế độ rộng xung hình sin

USPWM: Điều chế độ rộng xung hình sin đơn cực
PR: Cộng hưởng tỉ lệ
PLL: Khung đồng bộ tham chiếu
BTL: Bếp tiện lợi
VN: Việt Nam








Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - Danh mục bảng, hình vẽ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng
Bảng 1.2: Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời
Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống
Bảng 2.2: Các thông số của Tranzitor trường
Bảng 2.3: Các thông số của điốt chỉnh lưu
Bảng 2.4: Đặc điểm bộ chuyển đổi HF

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - Danh mục bảng, hình vẽ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc mặt trời
Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời.
Hình 1.3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)
Hình1.4 : Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển
Hình 1.5: Định nghiã và cách xác định airmas
Hình 1.6: Pin mặt trời
Hình 1.7: Nhà máy sử dụng NLMT
Hình 1.8: Lò sấy sử dụng hệ thống NLMT
Hình 1.9: Bếp nấu dùng NLMT

Hình 1.10: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
Hình 1.11: Động cơ stirling chạy bằng NLMT
Hình 1.12: Thái dương năng
Hình 2.1: Sơ đồ điều khiển hệ thống nối lưới NLMT
Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch động lực
Hình 2.3: Bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC
Hình 2.4: Điều chế đảo pha
Hình 2.5: Mạch cân bằng bộ chuyển đổi DC-DC
Hình 2.6: Dòng điện chạy trong chế độ 1
Hình 2.7: Dòng điện chạy trong chế độ 2
Hình 2.8: Dòng điện chạy trong chế độ 3
Hình 2.9: Dạng sóng điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC
Hình 2.10: Hàm chuyển đổi công suất đối với các điện áp vào khác nhau
Hình 2.11: Sự thay đổi của tham số “d” cùng với điện áp vào với n =1.2
Hình 2.12: Hệ thống chuyển đổi cùng với bộ chuyển đổi DC-AC

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - Danh mục bảng, hình vẽ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 2.13: Sơ đồ của bộ nguồn
Hình 3.1: Mạch động lực biến tần
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung điều khiển
Hình 3.3: Sóng sin tham chiếu đã chỉnh lưu
Hình 3.4: Sóng tam giác tần số cao
Hình 3.5: Sóng vuông
Hình 3.6: Sóng điều chế và sóng vuông
Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán lập trình cho vi điều khiển
Hình 3.8: Công suất tác dụng phát vào lưới theo góc lệch pha 
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng khối tạo xung điều khiển
Hình 3.10: Điện áp đầu ra của biến tần chưa qua lọc
Hình 3.11: Điện áp ra của biến tần đã qua lọc

Hình 3.12: Sóng điều chế độ rộng xung hình sin ứng với M
A
khác nhau

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 7 - Mở đầu


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá… đang dần cạn
kiệt, không còn để khai thác được nữa. Ngoài ra, những nguồn năng lượng này là nguyên
nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hưởng đến đời sống con người.
Trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế
nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Vì vậy, tập trung
nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo đang là hướng đi mới trong năng lượng
công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt
lên hàng đầu. Việc khai thác năng lượng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế,
xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững.
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 dòng sông,… Đó là loại hình năng lượng có khả năng áp dụng hơn
cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lưới không vươn đến được (vùng núi,
vùng hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …). Năng lượng mặt trời có thể nói là
vô tận, 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.
Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lượng bức xạ trung
bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm
Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có

khoảng 60 hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời cho tập thể và hơn
5.000 hệ thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lượng
điện toàn quốc. Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhưng vì nhiều lý
do, việc phát triển năng lượng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn hơn các dạng
năng lượng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế.
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 8 - Mở đầu


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và
tích trữ năng lượng mặt trời [1], [2], [3], [4], tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng
lượng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng tại
chỗ ), năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán trở lại cho lưới
điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ).
Vì vậy, việc nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển thông minh để khai thác năng
lượng mặt trời, cung cấp điện cho phụ tải đồng thời hòa tối ưu nguồn năng lượng
này lên lưới điện quốc gia đang là một vấn đề cấp thiết.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.1. Ý nghĩa khoa học
Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), Nguồn năng
lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ
nghịch lưu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụ tải chính để
cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dư thừa
được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống
lưới điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai
thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí
nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học

tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác.
3. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nhằm sử dụng và hòa tối ưu các nguồn
năng lượng tái tạo lên lưới điện.
4. Đối tượng nghiên cứu
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 9 - Mở đầu


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- Nghiên cứu nguồn năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất, sử dụng và
hòa lưới.
- Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển hòa lưới điện nguồn năng lượng mặt
trời: Tổng hợp dòng, áp. Đo công suất (P, Q) của lưới, tải nhằm sử dụng và phát
năng lượng dư thừa lên lưới.
5. Phương pháp nghiên cứu
5. 1. Lý thuyết:
- Tìm hiểu và đánh giá một vài phương pháp hoà lưới điện phổ biến hiện nay.
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mạch động lực, mạch điều khiển
hệ thống điện mặt trời nối lưới.
5. 2. Mô phỏng:
Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống có sử dụng bộ điều khiển hoà lưới
nguồn năng lượng tái tạo trên phần mềm MATLAB – SIMULINK – PLECS.
6. Tên đề tài
“ Xây dựng bộ điều khiển nối lưới nguồn năng lượng mặt trời ” .
7. Bố cục luận văn
Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau:
Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng.
Chương 2: Thiết kế mạch động lực hệ thống mặt trời nối lưới.
Chương 3: Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới.
Kết luận

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tác giả xin bày
tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS.
Lại Khắc Lãi. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Tự động
hóa - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều
kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học. Xin chân thành cảm ơn Khoa
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 10 - Mở
đầu


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn
thành luận văn này.
Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót.
Tác giả rất mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng
như các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - Chương 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
CHƢƠNG 1
NĂNG LƢỢ NG MẶ T TRỜ I VÀ
CC PHƢƠNG PHP KHAI THC, SƢ̉ DỤ NG

1.1. NGUỒ N NĂNG LƢỢ NG MẶ T TRỜ I
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 dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô 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 1,49.10
8
km. Từ trái đất
chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31
’
59. Từ đó có thể tính được đường
kính của mặt trời là R = 1,4.10
6
km, tức là bằng 109 lần đường kính quả đất và do
đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.10
4
lần. Từ định luật hấp dẫn
người ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là 1,989.10
27
tấn, lớn hơn khối
lượng quả đất 33.10
4
lần. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm
3
, lớn hơn khối
lượng riêng của nước (1g/cm
3
) 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 160 g/cm
3

, nhưng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và
giảm rất nhanh.
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong
và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1). 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.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 12 - Chương 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định. Thực ra
bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không 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 không ngừng trong lòng mặt trời.
Ngoài 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 lƣợng mặt trời
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H
2
), 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 3,865.10
26
J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10
16
tấn than đá

tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng
17,57.10
16
J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.10
6
tấn than đá.
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng
nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tương đối của Anhstanh và qua phản ứng nhiệt nhiệt hạt
nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời
khoảng 6000
0
K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu độ. Áp
Hình 1.1. Cấu trúc mặt trời
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 13 - Chương 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
suất bên trong mặt trời cao hơn 340.10
8
MPa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt
trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hoá 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 của 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 (C.N) và phản ứng hạt nhân Proton.Proton.
Khối lượng của mặt trời xấp xỉ 2.10
27
tấn. Như vậy để mặt trời chuyến hoá hết
khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.10
13

năm. Từ
đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu dài.
1.1.3 . Phổ bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động
điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ
điện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông 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 .
Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.10
8
m/s.
Còn trong môi 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 10
.7
nm (nano met) đến hàng
nghìn km . Hình 1.2 trình bày thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời.







10
-10
10
-8
10
-6

10
10
10
-4
10
-2
10
0
10
2
10
4
10
6
10
8
10
12
10
14
Tia
vũ
trụ
Tia
Rơnghen
Tia tử
ngoại
Tia
nhìn
thấy

Tia
hồng
ngoại
Sóng
ngắn
Sóng vô tuyến
điện


(m
)
Tia

Hình 1.2. Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 14 - Chương 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4m đến gần 0,8m, 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  khác nhau thì gây ra các tác
dụng lý học, hoá 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  = 0,8m đến giới hạn sóng ngắn  = 0,4m ta nhận
thấy màu sắc của ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.
Mắt người nhạy nhất đối với ánh sáng màu vàng có bước sóng  = 580m. Sự phân
bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau. Bảng 1.1 cho thấy
quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của
nó, còn bảng 1.2 là quan hệ giữa màu sắc của ánh sáng và bước sóng của nó. Từ

bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong giải
bước sóng từ  = 0,2 m (tử ngoại C, tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến  = 3.0
m (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ năng
lượng không đáng kể.
Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân tử
khí, các hạt bụi, hấp thụ hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lượng mặt trời khi
đến bề mặt quả đất bị thay đổi rất đáng kể.
Bảng 1.1 : Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng
Quang phổ
Bước sóng
Mật độ năng
lượng (W/m
2
)
Tỷ lệ %
Tia vũ trụ
Tia X
< 1nm
0,1nm
6,978.10
.5
6,978.10
.7


Tia tử ngoại C
0,2  0,28m
7,864.10
6

0,57
Tia tử ngoại B
0,28  0,32m
2,122.10
1

1,55
Tia tử ngoại A
0,32  0,40m
8,073.10
1

5,90
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 15 - Chương 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Tia nhìn thấy
0,40  0,52m
2,240.10
2

16,39
0,52  0,62m
1,827.10
2

13,36
0,62  0,78m

2,280.10
2

16,68

Tia hồng ngoại
0,78  1,40m
4,125.10
2

30,18
1,40  3,00m
1,836.10
2

13,43
3,00  100,00m
2,637.10
1

1,93

Sóng vô tuyến điện
0,10  10,0cm
6,978.10
.9


10,00 100,0cm
6,978.10

.10


1,0  20,0 m
6,978.10
.9



Bảng 1.2: Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời
Màu sắc
Bước sóng (nm)
Vùng sóng (nm)
Đỏ
700
640  760
Da cam
620
600  640
Vàng
580
550  600
Xanh
510
480  550
Lam
470
450  480
Tím
420

400  450

1.1.4. Đặc đim của bức xạ mặt trời trên b mặt qu đất.
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời
Qủa đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng
7991 km bao gồm các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 16 - Chương 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
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 và phổ của nó bị thay đổi đáng kể.






(a) (b)

Ở bên ngoài lớp khí quyển quả đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số và có
giá trị là 1353 W/m
2
. Gía 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
0,1m đến ngoài 3 m (hình 1.3). Đường phân bố phổ này gần giống đường phân bố
phổ bức xạ của một vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 5726 K. Cực đại của phổ bức xạ mặt
trời nằm ở bước sóng 0,48m và ứng với mật độ năng lượng 2 074W/m
2
.

Khi các tia 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 không 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 đây xảy
ra một cách đồng thời:
. Sự hấp thụ chọn lọc do các phân tử hơi nước H
2
O, O
2
, O
3
và CO
2

. Sự tán xạ Rayleith trên các phân tử khí, các hạt bụi,…
. Tán xạ Mie.



Kinh tuyÕn gèc
(qua GreenWich)
Kinh tuyÕn
Cùc B¾c
Cùc Nam
O
L
§-êng xÝch
®¹o vÜ tuyÕn 0
VÜ tuyÕn
Cùc B¾c


VÜ ®é

Cùc Nam
O
Hình 1.3. Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 17 - Chương 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN









Hình1.4. Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển
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  của bức xạ. Theo lý thuyết Rayleith thì hệ
số tán xạ trong quá trình này tỷ lệ với 
.4
. Một cách gần đúng, có thể đánh giá rằng,
50% năng lượng của các tia bức xạ tán xạ bị mất đi khi 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 nhiều so với kích thước các phân tử khí nên việc tính toán trở nên rất

khó khăn. Vì kích thước và mật độ của chúng biến đổi từ vùng này sang vùng khác,
và còn phụ thuộc cả 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 cường độ bức xạ do hai nguyên nhân: do sự tán xạ
thực sự (phân bố lại năng lượng tới) 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 thụ bởi các phân tử khí O
2
, O
3
ở các vùng cao của lớp khí
quyển nên vùng bước sóng tử ngoại  < 0,29m 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
H
2
O và CO
2
. Kết quả của các quá trình nói trên làm cho cường độ bức xạ mặt trời
Bước sóng 
(m)
m=0, E
0
=1353W/m
2

Vật đen bức xạ ở T=5726K,
chuẩn về E
0
=1353W/m

2
m=2, E=691,2W/m
2
m=2, không bị hấp thụ
phân tử

240
0

160
0


800

0

0,2

0,8

1,4

2,0

2,6

O
3

H
2
O
O
2

H
2
O
H
2
O
H
2
O,CO
2

H
2
O,
CO
2

Bức xạ phổ (W/m
2
.m)
UV
Nhìn
thấy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 18 - Chương 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
tới mặt đất yếu đi rất nhiều so với ở ngoài vũ trụ và đường cong phân bố phổ của
nó ở mặt đất không còn được liên tục như ở ngoài 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 xảy ra còn mạnh hơn.
Một phần đáng kể bức xạ mặt trời bị phản xạ trở 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 phản xạ 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
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, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển.
. Bức xạ Nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các tia
mặt trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như 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
không có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời.
Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70%
toàn bộ bức xạ mặt trời hướng về quả đất.
1.1.4.2. Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia
sáng qua lớp khí quyển (air mass)
Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua
lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi
của tia trong lớp khí quyển. Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời .Ví
dụ, khi mặt trời ở điểm Zenith ( ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên
qua lớp khí quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất. Còn ở các

điểm “chân trời”, lúc mặt trời mọc hoặc lặn thì đường đi của tia bức xạ mặt trời qua
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 19 - Chương 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
lớp khí quyển là dài nhất, nên bức xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất. Để đặc trưng
cho sự mất mát năng lượng phụ thuộc độ dài đường đi của tia bức xạ mặt trời qua
lớp khí quyển người ta đưa vào một đại lượng được gọi là “Air mass”, ký hiệu m
(hay AM) và được định nghĩa như sau:
Độ dài của tia trực xạ xuyên qua lớp khí quyển theo phương quan sát
Độ dày của lớp khí quyển theo phương vuông góc với mặt biển
Từ hình 1.4 ta thấy, nếu tia mặt trời đến điểm A trên mặt đất theo hướng BA,
thì airmass đối với vị trí đó của mặt trời và đối với điểm điểm A trên mặt đất có
thể được xác định bởi công thức sau :


































ZZ
H
R
H
R
H
R
CA
BA
m

cos12cos
21

2
(1.1)
trong đó : bán kính quả đất, R = 6 370km; H : chiều dày lớp khí quyển quả đất
lấy bằng 7 991km; 
Z
: góc Zenith của mặt trời.
Biểu thức (1.2) cho thấy, m có thể tính gần đúng nhờ các biểu thức đơn giản
hơn sau:
m = sec
Z
khi 
Z
< 70
0
và
m = cosec khi  >30
0
Như vậy, giá trị của “Airmass” m và năng lượng bức xạ trực xạ mặt trời tương
ứng đối với các vị trí mặt trời khác nhau là khác nhau, ví dụ:
- Ở ngoài khí quyển quả đất : m = 0, E = 1 353W/m
2

- Khi mặt trời ở điểm Zenith (đỉnh đầu) : m =1, E = 924,9 W/m
2

. Khi góc Zenith 
Z
= 60
0
: m = 2, E = 691,2 W/m

2






m =
Z


A
C
B
H
Z


C
A
B
H
R
Líp khÝ quyÓn
Hình 1.5. Định nghiã và cách xác định airmas

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 20 - Chương 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

1.1.4.3. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian
Mô hình lý thuyết để tính toán cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp gọi tắt là
trực xạ được xây dựng dựa trên các tài liệu đo đạc khí tượng trong nhiều năm. Mô
hình này dựa trên giả thiết cho rằng mặc dù các thông số khí quyển thay đổi từ
miền này đến miền khác và từ thời gian này đến thời gian khác, nhưng hệ số truyền
qua hiệu dụng của bầu trời thay đổi không nhiều. Vì khi lượng nước có thể ngưng
tụ trong khí quyển giảm, thì lượng bụi lại tăng lên và ngược lại.
Theo định nghĩa “khí quyển chuẩn” (đối với ngày trong tháng) là khí quyển mà
lượng hơi nước có thể ngưng tụ là 15 mm, lượng Ozon là 2,5 mm, bụi có mật độ
300 hạt/cm
3
và ở áp suất 760 mmHg và với hằng số mặt trời 1.353 W/m
2
. Khi đó
cường độ bức xạ trực tiếp được tính theo biểu thức:

m
I
N
)3135,0(1
1246










2
m
W
(1.2)
trong đó m là airmass.
Một công thức khác tổng quát hơn cho cường độ trực xạ khi tia tới vuông góc
với mặt phẳng nằm ngang đã được Majumdar và cộng sự đưa ra là:
 
25,0
1000
)8507,0()8644,0(1331
Wm
pm
N
xI 
W/m
2
(1.3)
Trong đó : p . áp suất ở địa phương quan sát (milibar); m . Air mass; W = độ
dày lượng hơi nước có thể ngưng tụ (cm).
Các công thức trên (1.2) và (1.3) chỉ áp dụng được cho các ngày trong sáng.
1.1.4.4. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian
Như đã phân tích, bức xạ nhiễu xạ tới mặt đất từ tất cả mọi phía của vòm
bầu trời và là do sự tán xạ, phản xạ của tia bức xạ mặt trời trong khí quyển quả đất.
Ngay cả những ngày trời đẹp nhất, khi bầu trời rất trong sáng, vẫn có bức xạ nhiễu
xạ phụ thuộc vào lượng bụi, Ozon và hơi nước trong khí quyển. Trong những ngày
mây mù, lúc ta không nhìn thấy mặt trời, thì toàn bộ bức xạ đến được quả đất chỉ là
bức xạ nhiễu xạ. Việc tính toán bức xạ nhiễu xạ là rất khó khăn do thiếu các số liệu
về bầu khí quyển. Ngoài ra, do sự biến đổi của thời tiết nên sự phân bố bức xạ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 21 - Chương 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
nhiễu xạ cũng biến đổi ngẫu nhiên theo không gian và thời gian. Những công thức
tính toán lý thuyết thành phần này của bức xạ mặt trời đều phải dựa trên một số giả
thiết để làm đơn giản bài toán. Theo lý thuyết của Buckuist và King thì hệ số
truyền qua ụ
S
, đặc trưng cho bức xạ nhiễu xạ tới một mặt phẳng nằm ngang ở trên mặt
đất được xác định bởi biểu thức:
 
































 )exp(
4)44(1
exp)21(212
634,0
01
0
00




L
LL
L
S
K
KKa
K

(1.4)
Trong đó: 
0
= 1/m , m = airmass; K
L
. độ dày quang học (quang lộ) của lớp
khí quyển; a
1
= tham số tán xạ dị hướng.
Mô hình lý thuyết này chỉ có giá trị đối với bầu trời không có mây mù.
1.2. CC PHƢƠNG PHP KHAI THC, SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG
MẶT TRỜI
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng
tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)%. Hiện tại chính sách quốc gia của
Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện,
nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện nguyên tử…
Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng
lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát
triển các nguồn năng lượng mới trong đó Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn
năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa
dư và nhu cầu phát triển kinh tế. Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào:
+ Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu.
+ Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội
của quốc gia trên thế giới.
+ Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng lượng
trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.