thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới điện quốc gia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





DƢƠNG QUỲNH NGA



THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN
SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên, 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





DƢƠNG QUỲNH NGA



THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN
SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS LẠI KHẮC LÃI



Thái Nguyên, 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
ĐẠI HỌC KTCN THÁI NGUYÊN
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc



THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


ĐỀ TÀI:
“THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA”

HỌC VIÊN: DƢƠNG QUỲNH NGA
LỚP: K13TĐH
GVHD: PGS. TS LẠI KHẮC LÃI




BAN GIÁM HIỆU




PHÒNG QLĐT SAU ĐẠI HỌC



GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN




PGS. TS LẠI KHẮC LÃI
HỌC VIÊN




DƢƠNG QUỲNH NGA

THÁI NGUYÊN, 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 1 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Lời cam đoan
4
Lời cảm ơn
5
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
6
Danh mục các bảng
8
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
9
Chƣơng 1: Tìm hiểu về năng lƣợng mặt trời và các phƣơng pháp
khai thác, sử dụng
12
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
13
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời
13
1.1.2. Năng lượng mặt trời
14
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời
15

17
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời

17
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)
20
1.1.4.3. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian
22
1.1.4.4. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian
23
1.2. Các phƣơng pháp khai thác sử dụng năng lƣợng mặt trời
23
1.2.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
24

25

25

26
1.2.1.4. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
26
1.2.1.5 Th
27

28
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 2 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

28

29

29
1.3. Kết luận chƣơng 1
32
Chƣơng 2: Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời
33
2.1. Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập
33
2.2. Lý thuyết hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời nối lƣới
35
2.2.1. Pin mặt trời
36
2.2.2. Bộ đóng cắt mềm
39
2.2.3. Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter
39
2.2.4. Bộ nghịch lưu DC/AC
43
2.2.5. Bộ lọc phía lưới:
45
2.2.6. Thiết bị điều khiển
45
2.3. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lƣới
48
.
48

48

49

49
2.3.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới
49
2.4. Kết luận chƣơng 2
50
Chƣơng 3 : Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lƣợng mặt trời
nối lƣới
51
3.1. Vài nét về bộ nghịch lƣu áp ba pha nối lƣới
51
3.1.1. Định nghĩa
51
3.1.2. Phân loại
52
3.2. Phƣơng pháp điều chế véc tơ không gian SVM
54
3.2.1. Thành lập véc tơ không gian
55
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 3 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
3.2.2. Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho véc tơ không
gian
56
3.2.3. Trạng thái của van và các véc tơ biên chuẩn
57
3.3. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống
63
3.3.1. Mô tả Dàn Pin Mặt trời
63

3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ Boost Converter
66
3.3.3. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha DC/AC
(Voltage Source Inverter - VSI)
74
Mạch vòng khóa pha PLL (Phase-locked loop)
78
3.4. Kết luận chƣơng 3
82
3.5. Kết luận và kiến nghị
82
Tài liệu tham khảo
84

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 4 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Dương Quỳnh Nga
Sinh ngày 20 tháng 11 năm 1985
Học viên lớp cao học khóa 13 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử
dụng năng lƣợng mặt trời hòa lƣới điện quốc gia” do thầy giáo PGS.TS Lại
Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu
tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận
văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào

khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Thái Nguyên, Ngày tháng 12 năm 2012
Tác giả luận văn



Dƣơng Quỳnh Nga
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 5 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn
tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài
“Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời hòa lƣới điện
quốc gia” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PSG. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hoàn thành luận văn này.
Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đặc biệt là thầy giáo
TS.Đặng Danh Hoằng đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như
trong quá trình nghiên cứu đề tài.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm,
động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.

Tác giả luận văn

Dƣơng Quỳnh Nga
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 6 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
I
Φ
: dòng quang điện (A/m
2
);
I
D
: dòng qua điot (A/m
2
);
I
S
: dòng bão hoà (A/m
2
);
n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn
thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy n = 1;
R
S
: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời ( /m
2
);
R

sh
: điện trở sơn (điện trở dò) ( /m
2
)
q: điện tích của điện tử (C).
U
DC
: Điện áp một chiều
Q: hàm đo chất lượng của mạch
U
PV
, I
PV
: là điện áp và dòng điện của dàn Pin mặt trời
U
L
, I
L
: là dòng điện ba pha của Lưới điện.
C
DC
: điện dung của bộ DC link
i
su
, i
sv
, i
sw
là ba dòng điện pha của lưới điện ba pha
u, v, w là ba cuộn dây pha của lưới

s
s
i
là véc tơ dòng i
s
quan sát trên hệ tọa độ αβ
f
s
i
là véc tơ dòng i
s
quan sát trên hệ tọa độ dq
i
sα
và i
sβ
là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ αβ
θ là góc lệch pha của hệ tọa độ cùng gốc dq so với hệ αβ
i
sd
và i
sq
là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ dq
T
s
là chu kỳ cắt mẫu
t
p
, t
t

là thời gian điều chế
SVM : Phương pháp điều chế vectơ không gian
PWM: Phương pháp điều chế độ rộng xung
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 7 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
U
oc
là điện áp hở mạch của Pin mặt trời
I
sc
(short circuit current) dòng điện mạch ngắn trong Pin mặt trời
DC – DC: Bộ biến đổi một chiều - một chiều (Bộ tăng thế hay bộ
Boost Converter)
DC – AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu)

Chữ viết tắt:
NLMT Năng lượng mặt trời
PMT Pin mặt trời
BĐK Bộ điều khiển
BBĐ Bộ biến đổi
MPPT Maximum Power Point Tracking
NL Nghịch lưu
PWM Pulse - Width – Modulation
INC Incremental Conductance
VSI Voltage Source Inverter
L Lưới điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 8 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng
Tên bảng
Trang
Bảng 1.1
Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng
10
Bảng 1.2
Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời
11
Bảng 3.1
Bảng các điện áp pha và dây của lưới
50
Bảng 3.2
Bảng lựa chọn véc tơ biên chuẩn và véc tơ không
51

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 9 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình
Tên hình
Trang
Hình 1.1
Cấu trúc mặt trời
9
Hình 1.2
Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

10
Hình 1.3
Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)
13
Hình1.4
Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển
14
Hình 1.5
Định nghĩa và cách xác định airmas
17
Hình 1.6
Pin mặt trời
20
Hình 1.7
Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời
21
Hình1.8
Lò sấy sử dụng hệ thống NLMT
21
Hình 1.9
Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
22
Hình 1.10

22
Hình 1.11

23
Hình 1.12
Thái dương năng

23
Hình 2.1
Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện Mặt trời
24
Hình 2.2
Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
25
Hình 2.3
Sơ đồ tương đương của Pin mặt trời
27
Hình 2.4
Bộ đóng cắt mềm
28
Hình 2.5
Bộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET
29
Hình 2.6
Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp
29
Hình 2.7
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho bộ Boost
Converter
32
Hình 2.8
Sơ đồ mạch động lực bộ nghịch lưu DC/AC
33
Hình 2.9
Bộ lọc phía lưới
34
Hình 2.10

Sơ đồ nguyên lý điều khiển toàn hệ thống
36
Hình 3.1
Biểu diễn dòng điện i
s
dưới dạng véc tơ không gian với
46
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 10 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
các phần tử i
sα
và i
sβ
thuộc hệ tọa độ αβ
Hình 3.2
Biểu diễn véc tơ không gian trên hệ tọa độ dq
47
Hình 3.3
Bộ nghịch lưu ba pha nối lưới
48
Hình 3.4
Các khả năng xảy ra khi đóng mở các van của bộ nghịch
lưu
49
Hình 3.5
Các véc tơ biên chuẩn và các góc phần sáu
50
Hình 3.6
Mô tả Pin Mặt trời sử dụng Matlab Simulink
53

Hình 3.7
Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời
55
Hình 3.8
Đặc tính P-V của dàn pin
55
Hình 3.9
Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời qua mô phỏng trên
phần mềm Matlab - Simulink
56
Hình 3.10
Sơ đồ mô phỏng bộ Boost Converter trên Matlab
57
Hình 3.11:
Hình 3.11: Thông số mạch Boost Converter
57
Hình 3.12
Hình 3.12: Mô tả bộ điều khiển DC-DC (MPPT)
58
Hình 3.13
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển MPPT
59
Hình 3.14
Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất đầu vào
của máy phát: (a)- Bằng bộ nhân analog, (b)- Bằng sơn
59
Hình 3.15
Điều chế và giải mã cho quá trình duy trì iểm công suất
cực đại (MPPT)
60

Hình 3.16
Sơ đồ mạch MPPT vi phân
60
Hình 3.17
Sơ đồ mạch điều chế xung rộng (PWM)
61
Hình 3.18
Lưu đồ thuật toán xác định điểm công suất cực đại
62
Hình 3.19
Sơ đồ mô tả khối MPPT trên Matlab
62
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 11 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
Hình 3.20
Đồ thị điện áp đầu vào bộ Boost Converter
63
Hình 3.21
Đồ thị điện áp ra bộ Boost Converter
63
Hình 3.22
Sơ đồ mô tả điều khiển bộ nghịch lưu DC/AC
65
Hình 3.23
Thông số của mạch điều khiển nghịch lưu DC/AC
65
Hình 3.24
Sơ đồ mô tả bộ điều khiển nghịch lưu
66
Hình 3.25

Khối tính toán I
d ref

66
Hình 3.26
Khâu điều chỉnh dòng
66
Hình 3.27
Khối tính toán U
abc_ref

67
Hình 3.28
Mô tả mạch vòng khóa pha PLL và các khối đo lường
67
Hình 3.29
Mô tả bộ chuyển hệ tọa độ
67
Hình 3.30
Mô tả bộ Phase Lock Loop PLL
70
Hình 3.31
Mạch điều khiển toàn hệ thống
71
Hình 3.32:
Điện áp đầu ra hệ thống khi nối lưới
71
Hình 3.33
Dòng điện I
d

và I
q

71

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 12 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

CHƢƠNG 1
TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƢƠNG
PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG
ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng
gió, năng lượng mặt trời đang được phát triển khuyến khích trên thế giới, đi đầu
là các quốc gia: Đức, Đan Mạch, Nhật Bản, Hà Lan và Mỹ. Việt Nam có vị trí
địa lý nằm trong khu vực cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, trong đó
nhiều nhất là thành phố Hồ Chí Minh tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Sơn La, Lai
Châu, Lào Cai ) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh…) nên
việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời đang được các nhà khoa học trong
nước quan tâm.
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và
bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công
nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa
thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là
nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày
càng cạn kiệt. Gần đây số lượng các hệ thống phát năng lượng mặt trời tăng
nhanh dẫn tới hình thành sự cung cấp điện dịch vụ mới và đạt tiêu chuẩn ứng
với nguồn năng lượng sạch. Đặc biệt, việc chuyển điện năng từ nguồn năng
lượng mặt trời vào nguồn điện lưới sẽ làm giảm chỉ số tiêu thụ điện từ lưới cho
mỗi đơn vị sử dụng. Công nghệ này cho ta khả năng khai thác hiệu quả tài

nguyên đóng góp trực tiếp vào các nguồn cung cấp phân bố trên diện rộng dựa
trên mạng lưới điện quốc gia.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 13 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
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 trái 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 Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 14 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

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
Hình 1.1. Cấu trúc mặt trời
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 15 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
hàng triệu độ. Áp 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 Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 16 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
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 bƣớc sóng
Quang phổ
Bước sóng
Mật độ năng
lượng (W/m
2
)
Tỷ lệ %
Tia vũ trụ
Tia X
< 1 nm
0,1 nm
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 Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 17 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga

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 10,0 cm
6,978.10
.9


10,00 100,0 cm

6,978.10
.10


1,0 20,0 m
6,978.10
.9



Bảng 1.2: Màu sắc và bƣớc 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 .
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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 18 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
lỏng, chất rắn 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
. Giá 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
0
K. Cực đại
của phổ bức xạ mặt trời nằm ở bước sóng 0,48 m và ứng với mật độ năng lượng
2074 W/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 Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 19 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga









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
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 Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 20 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
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 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
1.4.
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 lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng 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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 21 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
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 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:



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 7991km;
Z
: Góc Zenith của mặt trời.
Biểu thức (1.1) 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 =
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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa

GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 22 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga





1.1.4.3. Cƣờng 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.


Z
A
C
B
H
Z
C
A
B
H

R
Líp khÝ quyÓn
Hình 1.5. Định nghĩa và cách xác định airmas