Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ

v


MỤC LỤC
Tiêuăđ Trang
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân i
Lời cam đoan ii
Lời cm ơn iii
Tóm tắt iv
Mục lục vii
Danh mục các chữ viết tắt xi
Danh mục hình xiv
Danh mục bng xv
Chngă1ă:ăTỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết qu nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công b. 1
1.2. Mục đích của đề tài: 2

1.3. Nhim vụ của đề tài và giới hn của đề tài. 3
1.4. Phương pháp nghiên cứu 4
1.5 Ý nghĩa thực tin của đề tài 4
Chngă2 : CăSỞ LÝ THUYẾT
2.1.Tổng quan chung về nguồn năng lượng mặt trời 5
2.1.1. Mặt trời 5

2.1.2. Nguồn bức x mặt trời 8
2.1.3.Tính toán năng lượng mặt trời 12
2.1.3.1.Tính toán góc tới của bức x trực x 12
2.1.3.2.Tổng cường độ bức x mặt trời lên bề mặt trái đất 15

vi

2.1.3.3.Đo cường độ bức x mặt trời 19
2.1.3.4.Nguồn năng lượng mặt trời ti khu vực nghiên cứu 20
2.2. Bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ 21
2.2.1.Cấu to tổng quan bộ thu 21
2.2.2. Hot động của bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ… 23
2.2.2.1. Hội tụ tia sáng. 23
2.2.2.2. Nguyên lý gia nhit đi lưu. 23
2.2.3.Bề mặt phn x của máng 24
2.2.4.ng thu nhit 26
2.2.5. H thng xoay máng 30
2.2.6. Cách nhit 30
2.3. Truyền nhit và cách nhit 30
2.3.1.Dẫn nhit 30
2.3.2.H s dẫn nhit của chất khí 31
2.3.3.H s dẫn nhit của chất lng 32
2.3.4.H s dẫn nhit của vật rắn 34
2.3.4.1.Kim loi và hợp kim 34
2.3.4.2.Vật rắn cách đin 34
2.4.Trao đổi nhit đi lưu. 35
Chngă3ă: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TO NÂNG CAO HIỆU SUẤT
BỘ THUăNĂNGăLỢNG MẶT TRỜI KIU PARABOL TRỤ
3.1.Nguyên lý hot động của bộ thu parabol trụ 39
3.2.Những yếu t làm gim hiu suất của bộ thu: 40
3.3.Đặc tính thiết kế 40
3.3.1.Hướng đặt bộ thu 40
3.3.2.Thiết kế máng parabol trụ 43
3.3.3. Thiết kế ng cách ly 45
3.3.4. Thiết kế ng hấp thụ nhit 46

3.3.5.Thiết kế môi chất lng trong ng hấp thụ 47

3.3.6.Thiết kế nguyên lý lưu chuyển môi chất lng của bộ thu 47
vii

3.4.Thiết kế h thng xoay máng 48
3.4.1 Điều kin hội tụ của tia tới: 49
3.4.2. Các phương án thực hin h thng xoay máng: 51

3.4.2.1 Gii pháp xoay máng parabol trụ bằng cơ 52
3.4.2.2 Gii pháp xoay máng parabol trụ bằng cm biến 53
3.4.2.3 Xoay máng kết hợp dùng h thng cơ và cm biến 54
3.4.2.4 Lựa chọn phương án h thng xoay máng 56
3.4.3.Những thành phần của h thng xoay 56
3.4.4.Tính toán h thng quay máng 61
3.4.5.Gii pháp reset máng parabol khi ngưng hot động 62
Chngă4 : MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THÍ NGHIỆM
4.1.Thiết bị đo : 63
4.1.1.Máy đo năng lượng bức x mặt trời: 63
4.1.2.Nhit kế: 64
4.2.Dự kiến môi chất lng làm thí nghim: 64
4.2.1.Mô t bình 64

4.2.2.Chất lng thí nghim 65
4.2.2.1.Thông s kỹ thuật 65
4.2.2.2.Dự tính lượng chất lng làm thí nghim 67
4.3. Mô hình thực nghim 67
4.4. Kết qu thí nghim 69
4.5. Đánh giá kết qu thí nghim 77
4.6. Đề xuất về ng thu nhit để nâng cao hiu suất 79

Chngă5ă:ăKẾT LUẬN
5.1. Đánh giá kết qu của đề tài 81
5.2. Hướng phát triển 81
5.3. Kiến nghị: 82
TÀI LIU THAM KHO 84

viii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, T VIẾT TT

Eμ là cường độ năng lượng bức x mặt
ϕ : góc vĩ độ
β μ góc nghiêng của bề mặt kho sát
θ μ góc tới của tia trực x
θ
z
μ góc thiên đỉnh
δ μ góc lch giữa tia trực x và mặt phẳng xích đo
 μ h s dẫn nhit
c
p
: nhit dung riêng của chất lng
ρ μ khi lượng riêng của chất lng
 μ độ nhớt động lực học của chất lng
Φ μ hình dáng và cách b trí bề mặt trao đổi nhit
ω μ tc độ chuyển động của dòng chất lng
Q: dòng nhit (w)
μ cường độ trao đổi nhit đi lưu
F : din tích bề mặt trao đổi nhit
t

w
: nhit độ bề mặt vật rắn
t
f
: nhit độ trung bình của chất lng.



ix

DANH SÁCH CÁC BNG

BNG Trang
Bng 2.1: S liu về bức x mặt trời ti VN 20
Bng 2.2: H s phn x của một s vật liu kim loi. 26
Bng 2.3: H s truyền nhit một s kim loi thông dụng (ti 25
0
C) 28
Bng 3.1: Thông s máng parabol của mô hình thực nghim 45
Bng 3.2: Thông s ng thủy tinh cách ly của mô hình thực nghim 46
Bng 3.3: Thông s ng hấp thụ nhit của mô hình thực nghim. 47
Bng 4.1 : Thông s kỹ thuật máy đo năng lượng bức x CEM DT-1307 63
Bng 4.2 : Thông s kỹ thuật máy đo năng lượng bức x CEM DT-1307 64
Bng 4.3 : Thông s kỹ thuật dầu S2 65

x

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH Trang
Hình 1.1 : Mặt cắt ngang một ngôi sao kiểu mặt trời 3
Hình 2.1 : Mặt cắt ngang một ngôi sao kiểu mặt trời 6
Hình 2.2: Dãy bức x đin từ 9
Hình 2.3: Góc nhìn mặt trời. 10
Hình 2.4 : Quá trình truyền năng lượng bức x mặt trời 11
qua lớp khí quyển của trái đất 12
Hình 2.5: Sơ đồ phân b các thành phần bức x khuếch tán 16
Hình 2.6 : Các thành phần bức x lên bề mặt nghiêng 18
Hình 2.7 : Trực x kế. 19
Hình 2.8 Thiết bị đo năng lượng bức x mặt trời hin s. 20
Hình 2.9: Máng phn x parabol 21
Hình 2.10: Cấu to máng parabol trụ 22
Hình 2.11 : Bộ thu năng lượng parabol trụ thực tế. 22
Hình 2.12 : Nguyên lý đi lưu gia nhit chất lng 24
Hình 2.13: Bề mặt phn x ánh sáng được ghép từ nhiều tấm phẳng 25
Hình 2.14 : Mặt cắt ngang ng thu nhit 26
Hình 2.15: Độ dẫn nhit theo nhit độ  = f(t) của không khí 32

Hình 2.16 : (t) của nước 33
Hình 2.17: (t) của dầu 34
Hình 2.18 :
(t) của vật liu cách nhit. 35
xi

Hình 3.1: Nguyên lý hot động của bộ thu 39
Hình 3.2: Hướng lắp đặt không cần xoay máng 41
Hình 3.3: Hướng đặt bộ thu với h thng xoay 42
Hình 3.4: Máng parabol 43
Hình 3.5 : Nguyên lý gia nhit chất lng của mô hình thực nghim 48
Hình 3.6: Tia sáng qua ng thủy tinh có bề dày nh 50
Hình 3.7: Tia sáng truyền tới ng hấp thụ. 50
Hình 3.8: Điều kin hội tụ của tia sáng 51
Hình 3.9: Điều khiển máng xoay bằng h thng cơ 52
Hình 3.10: Xoay máng bằng cm biến 54
Hình 3.11: Máng xoay khi gặp trời mây mù. 55
Hình 3.12: Bộ truyền gim tc trục vít-bánh vít và động cơ bước 58
Hình 3.13μ Sơ đồ nguyên lý hot động điều khiển động cơ bước 59
Hình 3.14: Cm biến quang trở 60
Hình 3.15: Mch điều khiển 61
Hình 4.1μ Máy đo năng lượng bức x mặt trời CEM DT-1307 63
Hình 4.2: Nhit kế 64
Hình 4.3: Bình dầu 65
Hình 4.4 : Kết cấu tổng thể 68
Hình 4.5: Tủ đựng bn mch điều khiển 68
Hình 4.6: Bộ phận truyền động xoay máng 69
Hình 4.7μ Đồ thị nhit độ và năng lượng bức x theo thời gian 70
Hình 4.8: Tia phn x khi ng hấp thụ 79
xii

Hình 4.9 Hình dng ng thu nhit 80



Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

TH: Nguyễn Việt Phong 1


CHNGă1
TỔNG QUAN

1.1.Tng quan chung v lĩnhăvc nghiên cu,các kt qu nghiên cu trong và
ngoƠiăncăđƣăcôngăb:
Ngày nay trớc nhu cầu ngày càng cao ca con ngi về việc sử dụng năng
lợng thì vn đề nguồn năng lợng tr thành một vn đề cp thiết. Các nguồn năng
lợng phổ biến hiện nay đang ngày càng tr nên khan hiếm, giá thành cao, lại gây
nhiều ô nhiễm cho môi trng. Do vy việc tìm ra một nguồn năng lợng dồi
dào,sẵn có, sạch với môi trng đang đang đợc các nhà khoa học tích cực nghiên
cu. Năng lợng mặt trilà một nguồn năng lợng tha mưn đợc nhiều tiêu chí,tuy
nhiên việc ng dụng chúng hiện nay đặc biệt là những ng dụng cần nhiệt độ thu
đợc cao còn nhiều hạn chế,cha phổ biến rộng rãi.
Việt Nam là nớc nhiệt đới, tiềm năng bc xạ mặt trivào loại cao trên thế
giới, đặc biệt  các vùng miền phía Nam có tiềm năng rt lớn trong việc tn dụng
nguồn năng lợng này.Nguồn năng lợng mặt trilà nguồn năng lợng dồi dào,sẵn
có, thân thiện với môi trng,tuy nhiên việc nghiên cu, triển khai,áp dụng tại Việt
Nam là cha tơng xng với tiềm năng. Các nghiên cu về ng dụng năng lợng
mặt tritại Việt Nam còn hạn chế, ch yếu là hệ thng máy nớc nóng năng lợng
mặt tri,thu đợc nhiệt độ thp. Trong khi đó, có nhiều ng dụng đòi hi cần phi

có nhiệt độ cao hơn 100
0
C,bộ thu có thể đạt đợc nhiệt độ cao này là bộ thu năng
lợng mặt trisử dụng parabol trụ. Với nhiệt độ thu đợc cao từbộ thu này ta có thể
triển khai nhiều ng dụng nh sử dụng trong lò hơi, trong phát điện…Chính vì vy
đề tài này đi vào hớng nghiên cu nâng cao hiệu sut bộ thu năng lợng mặt
trikiểu parabol trụ.
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 2

Các nghiên cu trong nớc về bộ thu năng lợng mặt tri kiểu parabol trụ có
thể kể đến nh ca tác gi PGS.TS Hoàng Dơng Hùng trong nghiên cu ắNăng
lợng mặt tri,lý thuyết và ng dụng” và một s tác gi khác. Tuy nhiên đa s các
nghiên cu này hầu nh chỉ trình bày về các lý thuyết, các hệ thng hiện có, mà
cha đa ra đợc các mô hình thc nghiệm,các s liệu cụ thể đo đạc đợc để có thể
làm t liệu cho việc úng dụng tại Việt Nam.
Các nghiên cu ngoài nớc về hệ thng năng lợng mặt tri kiểu parabol trụ
khá đầy đ và đa dạng, đợc đầu t nghiên cu rt quy mô, một s nớc nh n
Độ còn có những hệ thng ng dụng công sut rt lớn nh sử dụng bộ thu năng
lợng mặt tri kiểu parabol trụ làm quay tuc-bin trong hệ thng nhà máy
điện…Tuy các nghiên cu này khá đầy đ nhng không đợc công b ra ngoài, các
tài liệu có đợc cũng chỉ là những lý thuyết đơn gin đư đợc phổ biến rộng rãi,
cha có đợc s liệu phù hợp với khí hu Việt Nam.
Với những điều kiện vị trí địa lý thun lợi, việc ắăNghiênăcu nâng cao hiu
sut b thuănĕngălng mt tri kiu parabol tr”là cần thiết trong việc đáp ng
nhu cầu năng lợng ngày càng cao,m ra hớng mới trong sử dụng nguồn năng
lợng xanh,sạch và sẵn có này.
1.2.Mcăđíchăcaăđ tài:
Mục đích ca đề tài nhằm nghiên cucác bộ phn ca hệ thng bộ thu năng

lợng mặt tri kiểu parabol trụ nhằm nâng cao hiệu sut, đồng thi thiết kế và chế
tạo bộ thu năng lợng mặt trikiểu parabol trụ nhằm thực nghiệm nhiệt độ ca bộ
thu. Nhiệt độ thu đợc ca bộ thu có thể phục vụ cho các lò hơi, sy, chạy tuc-bin
điện, hệ thng đun sôi nớc hoặc các ng dụngcần gia nhiệt khác.



Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 3









Hình 1.1: Một s phơng pháp gia nhiệt
Năng lợng mặt trilà nguồn năng lợng hầu nh vô tn, dồi dào, sạch, sẵn
có  nớc ta. Việc triển khai ng dụng gia nhiệt cho cht lng bằng năng lợng mặt
tri,cụ thể là bộ thu năng lợng mặt trikiểu parabol trụ sẽ mang lại lợi ích kinh tế
lớn trong việc tiết kiệm chi phí nguyên liệu đt.
1.3.Nhim v caăđ tài và gii hn ca đ tài.
- Nghiên cu cơ s lý thuyết ca bộ thu năng lợng mặt tri nhiệt độ cao
dùng parabol trụ.
- Nghiên cu thiết kếnhằm nâng cao hiệu sut thu nhiệt
- Chế tạo bộ thu năng lợng mặt trikiểu parabol trụ.
- Thực nghiệm đo nhiệt độ thu đợc ca bộ thu.

Cui cùng, sẽ đa ra các kết lun về kết qu thực hiện, nêu lên các vn đề đư
gii quyết đợc, các vn đề còn tồn đọng cha đợc gii quyết và đề xut hớng
phát triển ca đề tài.
Năng lợ
ặ 
Gia nhiệt
(Cao hơn 100
0
C)
Nung nóng
bằng gas

Nung nóng
bằng điện
Đt cháy các
vt liệu khác

Năng lợng
mặt tri
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 4

1.4.Phngăphápănghiênăcu.
- Dựa vào các tài liệu hiện có về lý thuyết năng lợng mặt triđể tìm hiểu cơ
s lý thuyết đi với bộ thu năng lợng mặt tri kiểu parabol trụ.
- Sau đó dựa vào lý thuyết để tính toán,thiết kế,chế tạo một bộ thu năng lợng
mặt trinhiệt độ cao dùng parabol trụ.
1.5 ụănghĩaăthc tin caăđ tài.
Nớc ta nằm  vị trí thun lợi trong việc triển khai ng dụng năng lợng mặt

tri, s gi nng quanh năm rt cao, tuy nhiên việc ng dụng năng lợng mặt tri
còn rt hạn chế, ch yếu chỉ là những bộ thu năng lợng mặt tri ng dụng trong
máy nớc nóng hộ gia đình với nhiệt độ thu đợc thp ( nh hơn 100
0
C) , đặc biệt
là những ng dụng khác cần nhiệt độ cao (lớn hơn 100
0
C)trong sn xut công
nghiệp cha đợc quan tâm đúng mc. Trớc khong trng còn b ng đó, việc
nghiên cu triển khai bộ thu năng lợng mặt tri kiểu parabol trụ vào thực tiễn là
nhu cầu cần thiết hiện nay.










Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 5

CHNGă2
CăSỞ LÝ THUYẾT

2.1.Tng quan chung v ngunănĕngălng mt tri:
2.1.1. Mt tri:

Mặt trilà ngôi sao  trung tâm và nổi bt nht trong Thái Dơng Hệ. Khi
lợng khổng lồ ca nó (332.900 lần khi lợng trái đt), tạo ra nhiệt độ và mt độ
đ lớn tại lõi để xy ra phn ng tổng hợp hạt nhân, làm gii phóng một lợng năng
lợng khổng lồ, phần lớn phát xạ vào không gian dới dạng bc xạ điện từ, với cực
đại trong di quang phổ từ 400 tới 700 nm mà chúng ta gọi là ánh sáng kh kiến.
Mặt trilà một sao nhóm I, nhóm sao có nhiều nguyên t nặng. Sự hình
thành mặt tri có thể đư đợc bt đầu từ các sóng chn động từ một hay nhiều siêu
tân tinh bên cạnh. Lý thuyết này đợc đa ra do sự phong phú ca nguyên t nặng
trong hệ mặt tri, nh vàng và uranium, nếu những sao có nhiều nguyên t này thì
gọi là sao nhóm II (ít nguyên t nặng). Các nguyên t này theo kh năng có thể nht
đư đợc tạo ra bi các phn ng hạt nhân thu năng lợng trong một quá trình hình
thành sao siêu mới, hay bi sự biến đổi thông qua hp thụ neutron bên trong một
ngôi sao lớn thế hệ hai.
Cu trúc ca mặt trikhông có ranh giới cụ thể ,  phần phía ngoài ca nó,
mt độ các khí gim gần nh theo hàm mũ theo khong cách từ tâm. Tuy nhiên, cu
trúc bên trong ca nó đợc xác định rõ ràng, nh đợc miêu t bên dới. Bán kính
mặt triđợc đo từ tâm tới cạnh ngoài quang quyển. Đây đơn gin là lớp mà bên
trên nó các khí quá lạnh hay quá mng để bc xạ một lợng ánh sáng đáng kể, và vì
thế là bề mặt dễ quan sát nht bằng mt thng.
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 6

Phía trong mặt trikhông thể đợc quan sát trực tiếp và chính mặt trilà vt
chn bc xạ điện từ. Tuy nhiên, tơng tự nh trong địa cht học sử dụng sóng do
các trn động đt tạo ra để xác định cu trúc bên trong ca Trái Đt, ngành nht
chn học sử dụng các sóng ngoại âm đi xuyên qua phần trong mặt triđể đo và hình
dung cu trúc bên trong ca ngôi sao.Mô hình máy tính về mặt tricũng sử dụng
một công cụ lý thuyết để xác định các lớp bên trong ca nó.

Hình 2.1 : Mặt ct ngang mặt tri
Lõi ca mặt triđợc coi là chiếm khong 0,β tới 0,β5 bán kính mặt tri. Nó
có mt độ lên tới 150g/cm³(150 lần mt độ nớc trên trái đt) và có nhiệt độ gần
1γ.600.000 độ K (so với nhiệt độ bề mặt mặt trikhong 5.800
0
K).Những phân tích
gần đây cho thy tc độ tự quay ca lõi cao hơn vùng bc xạ. Trong hầu hết vòng
đi ca mặt tri, năng lợng đợc tạo ra bi phn ng tổng hợp hạt nhân thông qua
một loạt bớc đợc gọi là dãy pập (protonậproton)để biến hydro thành heli. Cha
tới β% heli đợc tạo ra trong mặt tricó từ chu trình CNO (Cacbon-Nitơ-Ôxy). Lõi
là vùng duy nht trong mặt tri tạo ra một lợng đáng kể nhiệt thông qua phn ng
tổng hợpμ phần còn lại ca ngôi sao đợc đt nóng bi năng lợng truyền ra ngoài
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 7

từ lõi. Tt c năng lợng đợc tạo ra từ phn ng tổng hợp hạt nhân trong lõi phi
đi qua nhiều lớp để tới quang quyển trớc khi đi vào không gian dới dạng ánh
sáng mặt tri hay động năng ca các hạt.
Tc độ phn ng tổng hợp hạt nhân phụ thuộc nhiều vào mt độ và nhiệt độ,
vì tc độ phn ng tổng hợp hạt nhân diễn ra  lõi trong trạng thái cân bằng tự điều
chỉnhμ nếu tc độ phn ng hơi lớn hơn sẽ khiến lõi nóng lên nhiều và hơi m rộng
chng lại trọng lợng ca các lớp bên ngoài, làm gim tc độ phn ng và điều
chỉnh sự nhiễu loạn; và nếu tc độ hơi nh hơn sẽ khiến lõi lạnh đi và hơi co lại,
làm tăng tc độ phn ng và một lần nữa lại đa nó về mc cũ. Các photon (tia
gamma) nhiều năng lợng phát ra trong các phn ng tổng hợp hạt nhân bị hp thụ
trong một plasma mặt trichỉ vài millimét, và sau đó tái phát xạ theo hớng ngẫu
nhiên (và  mc năng lợng khá thp),vì thế cần một thi gian dài các bc xạ mới
lên tới bề mặt mặt tri. Những ớc tính về "thi gian di chuyển ca photon" trong

khong từ 10.000 tới 170.000 năm.Sau chuyến du hành cui cùng qua lớp đi lu
bên ngoài để tới "bề mặt" trong sut ca quang quyển, các photon thoát ra nh ánh
sáng kh kiến. Mỗi tia gamma trong lõi mặt triđợc chuyển thành hàng triệu
photon ánh sáng nhìn thy đợc trớc khi đi vào không gian. Các neutrino cũng
đợc phát sinh từ các phn ng tổng hợp hạt nhân trong lõi, nhng không ging
nh photon, chúng hiếm khi tơng tác với vt cht, vì thế hầu nh toàn bộ chúng
thoát khi mặt tringay lp tc. Trong nhiều năm những đo đạc về s lợng
neutrino do mặt tritạo ra cho kết qu thp hơn các dự đoán lý thuyết khong γ lần.
Sự không nht quán này gần đây đư đợc gii quyết thông qua sự khám phá các
hiệu ng dao động neutrino.
Trong quá trình diễn biến ca phn ng có một phần vt cht khi lợng ca
mặt tri bị mt đi, khi lợng ca mặt tri vì thế mỗi giây gim gần 4.10
6
tn, tuy
nhiên theo các nhà nghiên cu thì trạng thái ca mặt tri sẽ không thay đổi trong
hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày mặt tri sn xut một nguồn năng lợng qua phn ng
nhiệt hạch lên tới λ.10
24
kWh.
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 8

Nh vy ta có thể thy nguồn năng lợng mặt tri đợc xem nh vô tn, sẵn
có và có trữ lợng hết sc to lớn.
2.1.2. Ngun bc xmt tri:
Ánh sáng nói riêng, hay bc xạ điện từ nói chung, từ bề mặt ca mặt tri
đợc xem là nguồn năng lợng chính cho trái đt. Hằng s năng lợng mặt tri
đợc tính bằng công sut ca lợng bc xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vịdiện tích
bề mặt trái đt; nó bằng khong 1γ70 Watt trên một mét vuông. Ánh sáng mặt tribị

hp thụ một phần trên bầu khí quyển trái đt, nên một phần nh hơn tới đợc bề mặt
trái đt, gần 1.000 Watt/m² năng lợng mặt tri tới trái đt trong điều kiện tri
quang đưng khi mặt tri  gần thiên đỉnh.Năng lợng này có thể dùng vào các quá
trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng mặt
trivà chuyển đổi CO
2
thành ôxy và hợp cht hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực
tiếp là làm nóng các bình đun nớc dùng năng lợng mặt tri, hay chuyển thành
điện năng bằng các pin năng lợng mặt tri. Năng lợng dự trữ trong dầu m và các
nguồn nhiên liệu hóa thạch khác đợc gi định rằng là nguồn năng lợng ca mặt
tri đợc chuyển đổi từ xa xa trong quá trình quang hợp và phn ng hóa sinh ca
sinh vt cổ.
Trong toàn bộ bc xạ mặt tri, bc xạ liên quan trực tiếp đến các phn ng
hạt nhân xy ra trong nhân mặt trikhông quá γ%. Bc xạ  ban đầu khi đi qua
5.10
5
km chiều dày ca lớp vy cht mặt tribị biến đổi rt mạnh. Tt c các dạng
ca bc xạ điện từ đều có bn cht sóng. Bc xạ  là sóng ngn nht trong các sóng
đó. Từ tâm mặt triđi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lợng ca chúng gim
đi và bây gi chúng ng với sóng có bớc dài. Nh vy bớc sóng tr thành bớc
sóng rơnghen có bớc sóng dài hơn. Gần đến bề mặt mặt tri,nơi có nhiệt độ đ
thp để có thể tồn tại vt cht trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bt đầu
xy ra.
Lun vn cao hc GVHD: TS. Hong An Quc

HVTH: Nguyn Vit Phong 9


Hỡnh 2.2: Dy bc x in t
c trng ca bc x in t truyn trong khụng gian bờn ngoi mt tril

mt ph rng, trong ú cc i ca cng bc x nm trong dy 10
-1
-10 àm v
hu nh mt na tng nng lng mt tritp trung trong khong bc súng 0.38 -
0.78 àm ú l vựng nhỡn thy c ca ph.
Chựm tia truyn thng t mt trigi l bc x trc x. Tng hp cỏc tia trc
x v tỏn x gi l tng x. Mt dũng bc x trc x ngoi lp khớ quyn, tớnh
i vi 1m
2
b mt t vuụng gúc vi tia bc x, c tớnh theo cụng thc
Q=
D-T
.C
o
(t/100)
4

Vi
D-T
: H s gúc bc x gia trỏi t v mt tri.

D-T
=
2
/4
gúc nhỡn mt triv
C
o
=5,67 W/m
2

K
4
: H s bc x ca vt en tuyt i.
T 576
o
K : Nhit b mt mt tri.
10
bức xạ nhiệt
tia Gamma
tia tử ngoại
sóng radio,radar
tia cosmic
tia X
xa
năng l- ợng mặt trời
radio
gần
radio
sóng ngắn
sóng dài
-8
10
-6
10
-4
10
-2
10
0
10

2
10
4
10
6
10
8
10
10
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 10

Vyμ Q=
(
2.3,14.32
360 .60
)
2
4
.5,67.

5762
100

4
ả 1γ5γ W/m
2

Hình 2.3μ Góc nhìn mặt tri.

Do khong cách giữa trái đt và mặt trithay đổi theo mùa trong năm nên 
cũng thay đổi theo, do đó q cũng thay đổi nhng độ thay đổi này không lớn lm nên
có thể xem q là không đổi và đợc gọi là hằng s mặt tri.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc lớp trái đt, các chùm tia bc xạ bị hp
thụ và tán xạ bi tầng ôzon, hơi nớc và bụi trong không khí, chỉ một phần năng
lợng đợc truyền trực tiếp tới trái đt. Đầu tiên oxy phân tử bình thng O
2
phân
ly thành oxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phi có các photon
bớc sóng ngn hơn 0.18 µm, do đó các photon (xem bc xạ nh các hạt ri rạc ậ
photon) có năng lợng nh vy bị hp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử
oxy kết hợp thành các phân tử,còn đại đa s các nguyên tử tơng tác với các phân
tử oxy khác để tạo thành phân tử ozon O
3
, ôzôn cũng hp thụ bc xạ tử ngoại nhng
với mc độ thp hơn so với oxy, dới tác dụng ca các phoyon với bớc sóng ngn
hơn 0,γβ µm , sự phân tách O
3
thành O
2
và O xy ra. Nh vy hầu nh toàn bộ
năng lợng ca bc xạ tử ngoại đợc sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp
cht ca O, O
2
và O
3
, đó là một quá trình ổn định. Do quá trình này , khi đí qua khí
quyển, bc xạ tử ngoại biến đổi thành bc xạ với năng lợng nh hơn.
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 11

Các bc xạ với bớc sóng ng với các vùng nhìn thy và vùng hồng ngoại
ca phổ tơng tác với các phân tử khí và các hạt bụi ca không khí nhng không
phá vỡ các liên kết ca chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hớng
và một s photon quay tr lại không gian vũ trụ. Bc xạ chịu dạng tán xạ đó ch
yếu là bc xạ có bớc sóng ngn nht. sau khi phn xạ từ các phần khác nhau ca
khí quyển bc xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam ca bầu tri trong
sáng và có thể quan sát đợc  những độ cao không lớn. Các giọt nớc cũng tán xạ
rt mạnh bc xạ mặt tri. Bc xạ mặt trikhi đi qua khí quyển còn gặp một trơ ngại
đáng kể nữa đó là do sự hp thụ ca các phần tử hơi nớc, khí cacbonic và các hợp
cht khác, mc độ ca sự hp thụ này phụ thuộc vào bớc sóng, mạnh nht 
khong giữa vùng hồng ngoại ca phổ.
Phần năng lợng bc xạ mặt tritruyền tới bề mặt trái đt trong những ngày
quang đưng (không có mây)  thi điểm cao nht vào khong 1000 W/m
2


Hình 2.4 μ Quá trình truyền năng lợng bc xạ mặt triqua lớp khí quyển ca trái
đt
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 12

Yếu t cơ bn xác định cng độ bc xạ mặt tri một điểm nào đó trên trái
đt là quưng đng nó đi qua. Sự mt mát năng lợng trên quưng đng đó gn liền
với sự tán xạ, hp thụ bc xạ và phụ thuộc vào thi gian trong ngày, mùa, vị trí địa
lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng ca trục trái đt đi với mặt phẳng quỹ đạo
ca nó quanh mặt trigây ra. Góc nghiêng vào khong 23,5
o

và thực tế xem nh
không đổi trong không gian. Sự định hớng nh vy ca trục quay trái đt trong
chuyển động ca nó đi với mặt trigây ra những sự dao động quan trọng về độ dài
ngày và đêm trong năm.
2.1.3.Tínhătoánănĕngălngămtătri:
Cng độ bc xạ mặt tri trên mặt đt ch yếu phụ thuộc vào yếu tμ
- Góc nghiêng ca các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc
vào độ cao ca mặt tri (góc giữa phơng từ điểm quan sát đến mặt trivà mặt
phẳng nằm ngang đi qua điểm đó ). Yếu t cơ bn xác định cng độ ca bc xạ
mặt tri một điểm nào đó trên trái đt là quưng đng nó đi qua. Sự mt mát năng
lợng trên quưng đng đó gn liền với sự tán xạ, hp thụ bc xạ và phụ thuộc vào
thi gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
- Quan hệ giữa bc xạ mặt tringoài khí quyển và thi gian trong năm có thể
xác định theo phơng trình sauμ
E
ng
= E
o
(1+0,333cos
360
365
) W/m
2

Trong đó E
ng
là bc xạ ngoài khí quyển đợc đo trên mặt phẳng vuông góc với tia
bc xạ vào ngày th n trong năm.
2.1.3.1.Tínhătoánăgócătiăcaăbcăxătrcăx:
Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một s khái niệm nh sauμ

Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 13

- Hệ s khi không khí mμ là tỷ s giữa khi lợng khí quyển theo phơng tia
bc xạ truyền qua và khi lợng khí quyển theo phơng thẳng đng ( tc là khi mặt
tri thiên đỉnh). Nh vy m=1 khi mặt tri thiên đỉnh, m=β khi góc thiên đỉnh θ
z

là 60
o
. Đi với các góc thiên đỉnh từ 0-70
o
thì độ cong ca bề mặt trái đt phi đợc
đa vào tính toán. Riêng đi với trng hợp tính toán bc xạ mặt tringoài khí
quyển m=0.
- Trực xạ μ là bc xạ mặt trinhn đợc khi không bị bầu khí quyển phát tán.
Đây là dòng bc xạ có hớng và có thể thu đợc  các bộ thu kiểu tp trung (hội tụ)
- Tán xạ μ là bc xạ mặt trinhn đợc sau khi hớng ca nó đư bị thay đổi do
sự phát tán ca bầu khí quyển ( trong một s tài liệu khí tợng, tán xạ còn đợc gọi
là bc xạ ca bầu tri,  đây cần phân biệt tán xạ ca mặt trivới bc xạ hồng ngoại
ca bầu khí quyển phát ra ).
- Tổng xạ μ là tổng ca trực xạ và tán xạ trên một bề mặt ( phổ biến nht là tổng
xạ trên một bề mặt nằm ngang, thng gọi là bc xạ cầu trên bề mặt).
- Cng độ bc xạ E( W/m
2
) μ là cng độ năng lợng bc xạ mặt triđến một
bề mặt tơng ng với một đơn vị diện tích ca bề mặt. Cng độ bc xạ cũng bao
gồm cng độ bc xạ trực xạ E
trx

, cng độ bc xạ tán xạ E
tx
và cng độ bc xạ
quan phổ E
qp
.
- Năng lợng bc xạ ( J/m
2
) : là năng lợng bc xạ mặt tritruyền tới một đơn
vị diện tích bề mặt trong một khong thi gian, nh vy năng lợng bc xạ là một
đại lợng bằng tích phân ca cng độ bc xạ trong khong thi gian nht định.
- Gi mặt triμ là thi gian dựa trên chuyển động biểu kiến ca mặt tritrên bầu
tri, với quy ớc gi mặt tri chính ngọ là thi điểm mặt triđi qua thiên đỉnh ca
ngi quan sát. Gi mặt trilà thi gian đợc sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt
tri, nó không đồng nghĩa với gi theo đồng hồ.
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 14

Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng b trí bt kỳ trên mặt đt và bc xạ ca mặt
tritruyền tới, tc là vị trí ca mặt triso với mặt phẳng đó có thể đợc xác định
theo các góc đặc trng:
.
- Góc vĩ độ ϕμ vị trí góc tơng ng với vĩ độ về phía bc hoặc về phía nam
đng xích đạo trái đt, với hớng phía bc là hớng dơng.
-90
0
≤ ϕ ≤λ0
0
- Góc nghiêng  μ góc giữa mặt phẳng ca bề mặt tính toán và phơng nằm

ngang.
0 ≤  ≤ 180
0

( >90
0
nghĩa là bề mặt nhn bc xạ hớng xung phía dới)
- Góc phơng vị ca bề mặt  μ góc lệch ca hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên
mặt phẳng nằm ngang so với đng kinh tuyến. Góc  = 0 nếu bề mặt quay về phía
hớng chính nam,  ly du (+) nếu bề mặt quay về phía tây và ly du (-) nếu bề
mặt quay về phía đông.
-180
0
≤  ≤ 180
0
- Góc gi ω μ góc chuyển động ca vị trí mặt trivề phía đông hoặc phía tây ca
kinh tuyến địa phơng do quá trình quay ca trái đt quanh trục ca nóvà ly giá trị
15
0
cho 1 gi đồng hồ, buổi sáng ly du (-), buổi chiều ly du (+).
Góc tới θμ góc giữa tia bc xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến ca bề mặt đó.
- Góc thiên đỉnh θ
z
μ góc giữa phơng thẳng đng (thiên đỉnh) và tia bc xạ tới.
trong trng hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ.
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 15

- Góc cao mặt triα μ góc giữa phơng nằm ngang và tia bc xạ truyền tới, tc

là góc phụ ca góc thiên đỉnh.
Góc phơng vị mặt tri
s
μ góc lệch so với phơng nam ca hình chiếu tia bc xạ
mặt tritruyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này ly du (-) nếu hình chiếu
lệch vế phía đông và ly du (+) nếu lệch về phía tây.
- Góc lệch δ μ là góc tạo bi tia trực xạ và mặt phẳng xích đạo ca trái đt.
Trong thực tế trục quay ca trái đt lệch khi đng thẳng đng so với mặt phẳng
qui đạo ca trái đt một góc βγ,45
0

-23,45
0
≤ δ ≤ βγ,45
0

Góc lệch δ có thể tính toán theo phơng trình ca Copperμ
δ = βγ,45.sin(γ60.
284+
365
)
trong đó n là th tự ngày ca 1 năm với quy ớc ly giá trị n ca ngày 1 tháng
giêng là 1
Quan hệ giữa các loại góc đặc trng  trên có thể biểu diễn bằng phơng trình
giữa vĩ độ ϕ và các góc khác nh sauμ
Cosθ = sinδ.sinϕ.cos ậ sinδ.cosϕ.sincos + cosδ.cosϕ.cos.cosω +
cosδ.sinϕ.sin.cos.cosω + cosδ.sin.sin.sinω
Đi với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh ca mặt triθ
z
, giá

trị ca nó phi nằm trong khong 0
0
và 90
0
từ khi mặt trimọc đến khi mặt tri
thiên đỉnh (=0)
Cos θ
z
= cosϕ.cosδ.cosω + sinϕ.sinδ

Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 16

2.1.3.2.Tngăcngăđăbcăxămtătrilênăbămtătráiăđt:
Tổng bc xạ mặt trilên một bề mặt đặt trên mặt đt bao gồm phần chính đó là
trực xạ và tán xạ. phần trực xạ đư đợc kho sát  trên, còn thành phần tán xạ thì
khá phc tạp. Hớng ca bc xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm s ca độ mây
và độ trong sut ca khí quyền, các đại lợng này lại thay đổi khá nhiều. Có thể
xem bc xạ tán xạ là tổng hợp ca γ thành phần :
- Thành phần tán xạ đẳng hớng μ phần tán xạ nhn đợc đồng đều từ toàn bộ
vòm tri.
- Thành phần tán xạ quanh tia μ phần tán xạ bị phát tán ca bc xạ mặt trixung
quanh tia mặt tri.
- Thành phần tán xạ chân tri μ phần tán xạ tp trung gần đng chân tri.

Hình 2.5 μSơ đồ phân b các thành phần bc xạ khuếch tán
Góc khuếch tán  mc độ nht định phụ thuộc vào độ phn xạ R
g
(còn gọi là

allbedo-sut phân chiếu ) ca mặt đt. Những bề mặt có độ phn xạ cao ( ví dụ bề
mặt tuyết xp có R
g
=0,7 ) sẽ phn xạ mạnh bc xạ mặt tritr lại bầu tri và lần
lợt bị phát tán tr thành thành phần tán xạ chân tri.
Thµnh phÇn t¸n x¹
ch©n trêi
Thµnh phÇn t¸n x¹
quanh tia
Thµnh phÇn t¸n x¹
®¼ng h- íng
Tia trùc x¹
Lun văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quc

HVTH: Nguyễn Việt Phong 17

Nh vy bc xạ mặt tri truyền đếm một bề mặt nghiêng là tổng ca các dòng
bc xạ bao gồmμ trực xạ E
b
, γ thành phần tán xạ E
d1
,E
d2
, E
d3
và bc xạ phn xạ từ
các bề mặt khác lân cn E
r
:
E

Ʃ
= E
b
+ E
d1
+E
d2
+ E
d3
+E
r
Tuy nhiên việc tính toán các đại lợng tán xạ này rt phc tạp. Vì vy ngi ta
gi thiết là sự kết hợp ca bc xạ khuếch tán và bc xạ phn xạ ca mặt đt là đẳng
hớng, nghĩa là tổng ca bc xạ khuếch tán từ bầu tri và bc xạ phn xạ ca mặt
đt là nh nhau trong mọi trng hợp, không phụ thuộc hớng ca bề mặt. Nh vy
tổng xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng xạ ca 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 phơng nằm ngang sẽ có
tổng xạ bằng tổng ca γ thành phầnμ
E
Ʃ
= E
b
B

b
+ E
d

1+
2

+ E
Ʃ
R
g
.

1
2


Trong đó μ E
Ʃ
là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang,


1+
2

=F
cs
là hệ s góc ca bề mặt đi với bầu tri.



1
2

= F
cg
là hệ s góc ca bề mặt đi với mặt đt.
R
g
là hệ s phn xạ bc xạ ca môi trng xung quanh.