Thiết kế chế tạo hệ thống đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CƠ SỞ II
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY
----------o0o---------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: Thiết kế chế tạo hệ thống đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt
trời.

.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : ThS. LÊ LĂNG VÂN.
SINH VIÊN THỰC HIỆN : PHẠM THANH Ý
LỚP

: CƠ ĐIỆN TỬ.

KHÓA

: 47.

1


Lời nói đầu

Sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho đời sống của con người từ lâu
chỉ là đối tượng để nghiên cứu của các nhà khoa học.Những hiệp định hợp tác khoa
học và kỹ thuật giữa các quốc
tài nguyên năng lượng và sản xuất năng lượng có nguy cơ cạn kiệt các nguyên liệu
dự trữ tồn tại một cách khách quan bắt buộc người ta phải tìm trước một nguồn

năng lượng mới có công suất đủ lớn cho nhu cầu phát triển của xã hội loài người,
trên thế giới đã được ký kết làm biến các niềm mong ước , mục đích sử dụng năng
lượng này đang là vấn đề cấp bách.
Việc khủng hoảng về năng lượng 1973 đã đặt ra cho thế giới nhận thấy rằng dự
trữ về nhiên liệu hóa thạch mà đặc trưng là dầu mỏ không phải là vô hạn.Tất nhiên
các nguyên nhân trực tiếp của cuộc khủng hoảng năng lượng này là mang nặng về
tính chất chính trị và kinh tế.
Ngoài ra trong những năm gần đây sự báo động đỏ về vấn đề môi trường trên thế
giới đang đặt ra một yêu cầu bức bách của sự phát triển công nghiệp đã phát vỡ
môi trường cân bằng sinh thái tự nhiên.Các nguồn năng lượng, sử dụng nhiên liệu
hiện nay không chỉ gây ô nhiễm bầu không khí, các nơi chứa nước thải độc hại
sông ngòi biển cả mà còn gây ô nhiễm nhiệt “lỗ hổng tầng ozon của bầu khí
quyển”cho trái đất. Do đó một nguồn năng lượng mới thay thế cho các nhiên liệu
hóa thạch và đảm bảo cho nhu cầu năng lượng trong tương lai không chỉ cần công
suất đủ lớn mà cần phải sạch.
Qua vấn đề được đặc ra ở trên với đà phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện
nay thì hai nguồn năng lượng được chú ý đến là:nguyên tử năng và năng lượng mặt
trời.
Nhưng nguồn năng lượng nguyên tử như ta đã biết vụ nổ Trec-nô-bưn đã gây
một thảm họa vô cùng to lớn cho con người.Thêm vào đó Viện sĩ N.N.SEMENOV
đã nói : “Tất cả các dạng năng lượng điều biến đổi ra nhiệt năng khi sử dụng, khi
nào mức sản xuất năng lượng ≥ 5% bức xạ mặt trời đến trái đất (ước tính của các
nhà khoa học lượng bức xạ mặt trời đến trái đất là 795x1015 kWh/a ) thì nó sẽ dẫn
2


đến những biến đổi không thuận lợi cho sự cân bằng nhiệt và khí hậu trên quả đất
của chúng ta”.
Trái đất chúng ta sẽ tồn tại khi giải quyết được 3 vấn đề cơ bản đó là:





Đảm bảo lương thực.
Năng lượng đảm bảo cung cấp đầy đủ cho con người.
Bảo vệ được các điền kiện thiên nhiên thuận lợi cho cuộc sống con người.

Một trong 3 vấn đề cơ bản đó, năng lượng mặt trời được các nhà khoa học gắn chặt
vào để mà giải quyết.
Chúng ta cùng nhau thấy rõ rằng không có gì có thể thay thế bức xạ mặt trời,
một nguồn năng lượng cho các phản ứng quan hợp (quá trình cơ bản của tự nhiên)
để sản xuất ra các chất hữu cơ trong đó là thực phẫm. Năng lượng mặt trời hoàn
toàn có khả năng thỏa mản các nhu cầu năng lượng của con người trong tương lai
và cuối cùng năng lượng mặt trời là một loại năng lượng đặc biệt “sạch” việc sử
dụng nó không dẫn đến việc ô nhiễm môi trường xung quanh và phá vỡ cân bằng
nhiệt của hành tinh chúng ta.
Việc nam là một trong những nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn.Tuy
nhiên việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta vẫn còn thấp.Trên cơ sở vấn đề
bức xúc đó thì đề tài nghiên cứu này xin góp một phần công sức nhỏ của bản thân
vào sự phát triển các nguồn năng lượng nói riêng và sự nghiệp phát triển chung của
đất nước.

3


Chương I : TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM
1.1.Tổng quan về năng lượng mặt trời
1.1.1 .Mặt trời

Hình 1.1 mặt trời
Mặt trời là ngôi sao ở trung tâm Hệ Mặt Trời, chiếm khoảng 99,86% khối
lượng của Hệ Mặt Trời. Trái Đất và các thiên thể khác như các hành tinh, tiểu hành
tinh, thiên thạch, sao chổi, và bụi quay quanh Mặt Trời. Ánh sáng Mặt Trời cần 8
phút 19 giây mới đến được Trái Đất. Năng lượng Mặt Trời ở dạng ánh sáng hỗ trợ
cho hầu hết sự sống trên Trái Đất thông qua quá trình quang hợp, và điều khiển khí
hậu cũng như thời tiết trên Trái Đất. Thành phần của Mặt Trời gồm hydro (khoảng
74% khối lượng, hay 92% thể tích), heli (khoảng 24% khối lượng, 7% thể tích), và
4


một lượng nhỏ các nguyên tố khác, gồm sắt, nickel, oxy, silic, lưu huỳnh, magiê,
carbon, neon, canxi, và crom.
Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các
nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh
thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa
trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được
rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất. Nguyên tố phổ
biến nhất trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydro. Vật chất của mặt trời bao gồm
chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác. Nguồn
năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt
nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hydro có một
hạt mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy
nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có
thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác
dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2
neutrino và một lượng bức xạ γ.
4H => He + 2 Neutrino + γ
Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn.
Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia

vào các “biến cố” sau đó. Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật
chất của mặt trời bị mất đi. Khối lượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng
4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không
thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn
năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.10 24Kwh (tức là chưa đầy một phần

5


triệu giây mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số
điện năng sản xuất trong một năm trên Trái Đất).

1.1.2. Bức xạ mặt trời
1.1.2.1.Bản chất của bức xạ mặt mặt trời và bức xạ khí quyển:
Bức xạ mặt trời là bức xạ điện từ do bề mặt nóng sáng của mặt trời chiếu lên
các tấm hấp thu bức xạ mặt trời đặt trên bề mặt của trái đất. Bức xạ mặt trời bao
gồm bức xa tử ngoại (tia cực tím) , tia sáng thường, và vùng hồng ngoại gần. Bên
cạnh bức xạ mặt trời mặt đất còn nhận bức xạ khí quyển, đó là bức xạ nhiệt do bầu
khí quyển phát ra trong vùng hồng ngoại xa của phổ điện từ.
Dựa vào quan hệ giữa bước sóng của bức xạ ánh sáng thường và bức xạ tia
cực tím người ta thường gọi bức xạ mặt trời là bức xạ sóng ngắn, còn bức xạ khí
quyển là bức xạ sóng dài. Bức xạ mặt trời thường có bước sóng nằm trong khoảng
0,3µm đến 3µm , bức xạ khí quyển có bước sóng nằm trong khoảng 5µm đến
50µm. Do vậy, trong thực tế hai dãy bước sóng này sẽ không trùng nhau.

BỨC XẠ MẶT TRỜI
Tử ngoại

2

A.S thường

5

BỨC XẠ KHÍ QUYỂN

hồng ngoại gần

1

2

hồng ngoại xa

5

10

20

50

Đơn vị bước sóng : µm
Hình 1.1 : Bức xạ mặt trời và bức xạ khí quyển trong phổ điện từ

6


Bên cạnh bức xạ mặt trời và bức xạ khí quyển đến từ bầu trời, một tấm hấp
thụ bức xạ còn có thể nhận bức xạ từ các vật thể khác trên mặt đất phát ra, khi ta

đặt các tấm hấp thụ gần các vật thể ấy. Bức xạ loại này gồm các sóng bước dài do
bản thân các vật thể này phát ra, và bức xạ sóng ngắn thì chúng phản chiếu lại ánh
sáng mặt trời chiếu đến chúng . Các bức xạ này rất khó tính toán theo lý thuyết,
trong thực tế chúng ta thường bỏ qua vi chúng không quan trọng lắm.
Bức xạ mặt chiếu đến bề mặt của trái đất có thế chia thành hai loại: trực xạ
(tia) đến trực tiếp từ mặt trời, và tán xạ đến từ phần còn lại của bầu trời. Trực xạ là
bức xạ có khả năng tạo bóng và có thể tập trung được bằng các hệ thống quang
học. Tán xạ không thể tạo ra bóng và cũng không thể tập trung được.

Mặt trời
Bầu trời

Mây
Trực xạ
Tán xạ

Tán xạ

Hình 1.2: tán xạ và trực xạ
Dòng bức xạ tổng là năng lượng bức xạ tới trên một đơn vị bề mặt trong một
đơn vị thời gian. Thước đo chuẩn của bức xạ tia (trực xạ) là dòng bức xạ mặt trời
chiếu trực tiếp đến bề mặt vuông góc với tia và được gọi là cường độ tia. Đối với
hôm trời tốt, giá trị của nó vào khoảng 0,9 kW/m2. Thước đo chuẩn của tia tán xạ
sóng ngắn chiếu khuyếch tán lên một đơn vị bề mặt nằm ngang hướng lên và được
gọi là cường độ tán xạ. Giá trị của nó phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Trong điều
kiện trời quang giá trị của nó khoảng 0.1 kW/m2, còn điều kiện trời có mây thì giá
trị của nó nằm trong khoảng 0.3 kW/m2 đến 0.6kW/m2 .

7

Tổng cường độ của trực xạ chiếu lên một bề mặt nằm ngang hướng lên được
gọi là cường độ bức xạ của mặt trời. Nếu ta gọi Ib là cường độ tia, θ là góc chiếu
của tia sáng mặt trời chiếu lên một bề mặt ngang( góc giữa tia và phương thẳng
đứng ), Id là cường độ tán xạ , thì cường độ bức xạ của mặt trời được tính bằng
công thức : Ig = Ibcosθ + Id .
Bức xạ của khí quyển chỉ là khuyếch tán, đo bằng bức xạ sóng dài chiếu lên
một bề mặt nằm ngang hướng lên. Nó được gọi là cường độ bức xạ khí quyển. Giá
trị của nó phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp không khí ở gần vùng bề mặt trái đất,
đồng thời phụ thuộc vào số lượng và độ cao của các đám mây trên bầu trởi.Thông
thường cường độ bức xạ khí quyển bằng với cường độ của môt vật thể đen ở nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ của lớp không khí ở gần bề măt trái đất vài oC . Trong khoảng
nhiệt độ từ 10oC đến 30oC thì cường độ bức xạ khí quyển có giá trị nằm trong
khoảng từ 300W/m2 đến 450W/m2 .
Tổng dòng năng lượng bức xạ sóng ngắn và sóng dài chiếu xuống một bề mặt
nằm ngang hướng lên được gọi là tổng cường độ bức xạ.Nếu gọi Ia là cường độ
bức xạ của khí quyển, thì tổng cường độ bức xạ được tính là Ig+Ia.
1.1.2.2 Các quá trình ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời:
Các quá trình ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời gồm có sự tán xạ, hấp thụ, và
phản xạ . Sự tán xạ tia mặt trời được tạo ra chủ yếu là do các phân tử khí và hơi
nước, các giọt nước nhỏ, và các hạt bụi . Quá trình này làm khoảng 6% bức xạ
chiếu tới bị mất vào không gian, và khoảng 20% bức xạ chiếu tới được mặt trái đất
dưới dạng tán xạ.
Các phân tử khí tán xạ ánh sáng mặt trời với một mức độ tỷ lệ với λ-4 , với λ
là bước sóng của bức xạ. Chúng được gọi là tán xạ Reyleigh; sự phân tán này rất
quan trọng đối với các phần tử có đường kính nhỏ hơn λ / 10 . Ảnh hưởng này của
bước sóng thể hiện qua màu xanh của bầu trời khi trời quang và màu đỏ khi mặt
trời lặn. Bầu trời trở nên xanh vì khi đó ánh sáng xanh có bước sóng ngắn được
phân tán mạnh hơn là ánh sáng đỏ có bước sóng dài. Màu đỏ xuất hiện trên bầu
trời khi mặt trời lặn bởi vì hầu hết ánh sáng màu xanh đã bị phân tán khỏi tia nắng.

Sự phân tán ánh sáng mặt trời từ những phần tử lớn hơn có kích thước đường kính
khoảng 25λ trở lên thì không phụ thuộc vào bước sóng. Kết quả là ánh sáng mặt

8


trời được phân tán bởi các giọt nước trong những đám mây, sương mù và những
hạt bụi đều có màu trắng.
Sự hấp thụ bức xạ mặt trời chủ yếu là do các phần tử khí ozon và hơi nước
(hình 1.3) . Sự hấp thụ ở ozon xảy ra ở tầng khí quyển, ở độ cao trên 40km. Sóng
bị hấp thụ mạnh chủ yếu ở vùng tia cực tím của quang phổ ,vì vậy các bước sóng
nhỏ hơn 0.3µm ít khi đến mặt đất. Có khoảng 3% bức xạ mặt trời bị hấp thụ bằng
cách này.
Ở tầng thấp hơn của khí quyển, có khoảng 14% bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi
hơi nước,chủ yếu xảy ra ở vùng tia hồng ngoại của quang phổ . Các đám mây hấp
thụ một lượng rất nhỏ bức xạ mặt trời, điều đó giải thích tại sao chúng không bay
hơi dưới ánh nắng . Ảnh hưởng của đám mây đến bức xạ mặt trời chủ yếu là tán xạ
và phản xạ
Có một lượng nhỏ bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi oxy. CO2 cũng hấp thụ một ít
bức xạ mặt trời, mặt dù việc hấp thụ và phát xạ bức xạ sóng dài của khí quyển bởi
CO2 là quan trọng trong hiệu ứng nhà kính.

2

O3

O3

O2

1`

H2O
CO2

0
0

1

2

3 µm

Hình 1.3; Quang phổ mặt trời.Đường bên trên của đồ thị biểu diễn bức xạ bên
ngoài khí quyển; đường bên dưới là bức xạ nhận được trên bề mặt trái đất khi trời
quang. Dãy hấp thụ do các khí các khí biểu diễn bởi các công thức hóa học.
Sự phản xạ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào bản chất của bề mặt phản xạ. Phân
số của cường độ bức xạ của mặt trời phản xạ từ các bề mặt trên trái đất được gọi là
9


suất phản chiếu của bề mặt. Tổng suất phản chiếu, bao gồm tất cả các bước sóng
gần như trùng với suất phản chiếu nhìn thấy được của quang phổ. Bảng:1.1 dưới
đây là các suất phản chiếu tiêu biểu của một số bề mặt khi mặt trời ở vị trí đỉnh
đầu. Khi mặt trời ở vị trí thấp hơn trên bầu trời( khi góc chiếu đỉnh θz lớn) suất phản
chiếu của mặt nước sẽ có giá trị lớn hơn trong bảng. Suất phản chiếu của các đám
mây phụ thuộc váo độ dày cùa chúng

Bề mặt

Cây cối
Đất nhạt màu
Đất sậm màu
Nước
Mây

Suất phản chiếu
0.2
0.3
0.1
0.1
0.5 – 0.9
Bảng1.1: suất phản chiếu bề mặt

Ngoài ra các đám mây cũng có ảnh hưởng lớn đến bức xạ mặt trời. Những
ảnh hưởng của các đám mây đến bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt của trái đất
diễn ra rất phức tạp. Nếu như các đám mây giữa mặt trời và điểm quan sát, thì
cường độ bức xạ mặt trời sẽ yếu đi hoặc bị khử mất. Còn cường độ tán xạ thì có
thể mạnh hơn hoặc yếu đi nếu như có sự tồn tại của những đám mây giữa bầu trời,
tùy thuộc vào loại mây, vào số lượng các đám mây. Các đám mây mỏng, phân tán
phản xạ lại tia nắng mặt trời sẽ làm tăng cường độ tán xạ, còn các đám mây dày sẽ
làm giảm cường độ tán xạ
Cường độ bức xạ mặt trời thông thường sẽ bị giảm khi trời có mây, nhưng
nếu mặt trời đang chiếu vào một vùng nào đó trong bầu trời mà lại có các đám mây
sáng ở gần bên, thì cường độ bức xạ mặt trời sẽ có giá trị lớn hơn so với khi trời
quang.
Các biến đổi do địa lý, mùa, thiên văn của bức xạ mặt trời đối với bề mặt trái
đất được kiểm soát thông qua các tác động của đám mây theo sự di chuyển của mặt
trời. Kết quả là các nghiên cứu về những biến đổi có liên hệ mật thiết đến những
nghiên cứu về thời tiết, và có rất nhiều trạm quan sát khí tượng đã được xây dựng

nên để có thể có những dự báo đầy đủ về chúng.

10


1.1.2.3 Bức xạ mặt trời khi trời quang;
Đây có thể xem là phần trình bày một cách đơn giản bức xa mặt trời xãy ra
trên bề mặt trái đất ở khu vực nhiệt đấy châu Á
Các thông số chính ảnh hưởng đến cường độ bức xạ mặt trời là góc chiếu đỉnh
θz của mặt trời ,lượng hơi nước chứa trong khí quyển w, và hệ số vẫn đục của
không khí B
Lượng hơi nước chứa trong khí quyển w chính là lượng nước kết tủa được đo
bằng cm. Để xác định chính xác lượng nước w cần phải có số liệu về lớp không khí
bên trên. Nếu những số liệu này không có sẵn, ta có thể dự đoán tương đương qua
công thức
w = 0.18e
Trong đó, e là áp suất hơi nước trong khí quyển trên bề mặt trái đất và đo bằng
milibars. Ở vùng nhiệt đới ẩm và khô, w dao động từ 2cm vào mùa khô đến 5cm
hoặc hơn vào mùa mưa.
Hệ số vẫn đục không khí B bẳng 0 khi bầu khí quyển không có bụi , và giá trị
của nó sẽ tăng lên khi không khí bị vẫn đục. Giá trị của B được xác định trực triếp
thông qua việc đo cường độ tia trực xạ trong các dãy khác nhau của quang phổ nhờ
các lọc sắc. Ở vùng khí hậu nhiệt đới ẩm và khô B dao động từ gần 0 vào mùa
mưa đến 0,2 vào mùa khô. Nếu có khói trong không khí thì giá trị của B có thể lớn
hơn. Thường B được tính theo công thức
B = 0.25 – 0.17V
Trong đó V là tầm nhìn xa đo bằng km. Giá trị dự đoán của B chính xác đến ±
0.02
Các giá trị của cường độ tia trực xạ Ib theo mức mức nước biển được đưa ra
trong bảng:1.2 dựa theo các giá trị của lượng hơi nước chứa trong khí quyển w,

góc chiếu đỉnh θ của mặt trời, và hệ số vẫn đục B. Các hiệu chỉnh nhỏ do sự biến
đổi lượng ozon trong khí quyển và sự biến đổi áp suất không khí ở bề mặt được bỏ
qua. Các giá trị của cường độ tia trực xạ cho trong khi được tính ở các ngọn núi

11


Ib(kW/m2)
B = 0.1

W(cm)

Góc chiếu đỉnhn θ
B=0
(độ)
0
1.047
0.879
60
0.879
0.684
70
0.810
0.530
80
0.628
0.314
0
0.977
0.838

60
0.838
0.628
70
0.740
0.489
80
0.572
0.286
Bảng 1.2: Cường độ tia cực xạ ở mức nước biển

2
2
2
2
5
5
5
5

B = 0.2
0.768
0.524
0.384
0.181
0.698
0.475
0.349
0.161

Cường độ bức xạ tán xạ được xác định chủ yếu dựa vào góc chiếu đỉnh θ, hệ số
vẫn đục B, và suất phản chiếu của mặt đất tại từng vị trí. Bảng 1.3 cho biết giá trị
của cường độ tán xạ Id dựa vào các giá trị của θ và B khi suất phản chiếu ở mặt đất
là 0.25. Đối với các giá trị suất phản chiếu 0.1, 0.2, và 0.3, ta nhân giá trị Id cho
trong bảng tương ứng với các thông số hiệu chỉnh 0.90, 0.96 và 1.04
θ(độ)
0
60
70
80

Id (kW/m2)
B=0
B = 0.1
0.063
28.1
0.045
28.2
0.034
28.2
0.018
23.3
Bảng1.3: cường độ tán xạ

B = 0.2
26.3
30.2
27.3
18.9

Bảng:1.4 cho ta số liệu về tổng năng lượng mặt trời trong điều kiện trời quang ở
vùng nhiệt đới vào ngày 15 của các tháng 3,6,9 và 12 . Giá trị trong bảng được áp
dụng với lượng hơi nước cho trước là w = 0.2cm và hệ số vẫn đục B = 0. Khi
lượng hơi nước w = 5 cm, ta lấy giá trị trong bảng nhân với hệ số hiệu chỉnh 0.93 ;
còn khi hệ số vẫn đục B = 0.1 ,và 0.2, ta lấy giá trị bảng nhân với hệ số tương ứng
0.90 và 0.84

12


Năng lượng bức xạ mặt trời hằng ngày (MJ/m2)
00
100
200
28.8
28.1
26.3
25.4
28.2
30.2
28.3
28.2
27.3
26.9
23.3
18.9

Vĩ độ φ
Tháng 3
Tháng 6

Tháng 9
Tháng 12

Bảng1.4: năng lượng bức xạ mặt trời hằng ngày khi trời quang
1.1.2.4 . Bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
Bức xạ mặt trời luôn phụ thuộc vào góc tới của nó đối với mặt phẳng
hứng bức xạ. Mà thực tế thì độ nghiêng của mặt phẳng hứng bức xạ và vị trí của
mặt trời so với nó luôn thay đổi. Đa số các thiết bị thu năng lượng mặt trời được
đặt nghiêng một góc nào đó, còn các số liệu cho sổ tay bức xạ nhận trên mặt phẳng
nằm ngang. Vì vậy cần thiết phải tính toán dòng năng lượng tới trên mặt phẳng
nghiêng từ các số liệu thu được trên mặt phẳng nằm ngang.
N’ ;pháp tuyến mặt nghiêng
Tia trực xạ

N :pháp tuyến mặt cắt ngang

θh

Hướng của
mặt ngang

α

θi

Hướng của
mặt nghiêng Az Asz
Hướng nam

P

β

Hình 1.4: Các góc xác định tia mặt trời tới trên mặt ngang và mặt nghiêng

13


1.1.2.5. Năng lượng tia bức xạ và trực xạ
Tỷ số của dòng năng lượng trực xạ tới mặt nghiêng và dòng năng lượng trực xạ
tới mặt phẳng ngang được gọi là “ hệ số nghiêng “ đối với tia bức xạ , được ký
hiệu bằng rb.
Đối với trường hợp mặt nghiêng hướng nam ( γ = 0 ), ta có:
cosθ = sinδ .sin(φ – β) + cosδ.cosω.cos(φ – β)

(1.1)

Đối với mặt phẳng ngang (β = 0) ,hướng nam, θ = θz nên:
cosθz = sinδ sinφ + cosδ cosɷ cosφ

(1.2)

Trong đó :
•
•

θ vĩ độ hay vĩ tuyến của địa điểm quan sát ở bắc hoặc nam bán cầu
δ góc lệch là góc giữa tia mặt trời và mặt phẳng xích đạo, xác định ngày
quan sát:
δ (đo bằng độ) = 23.45sin

(1.4)

Trong đó n là số ngày của năm.
•
•
•
•
•
•
•

Góc azimuth γ (Az) là góc lệch khỏi hướng nam của tia mặt trời trên mặt
phẳng ngang
θz góc Zenith , góc của tia mặt trời và pháp tuyến của mặt phẳng ngang (mặt
đất) tại vị trí quan sát, xác định thời gian quan sát
α góc độ cao mặt trời
β góc nghiêng
θh là góc tới của mặt nằm ngang
θi là góc tới của tia trực xạ trên mặt phẳng nghiêng
AZS là góc lệch Azimuth của mặt phẳng nghiêng đang xét, đó là góc giữa
hướng nam và hình chiếu pháp tuyến của mặt phẳng nghiêng trên mặt phẳng
ngang. Quy ước góc AZS>0
Khi mặt nghiêng lệch về hướng đông, và AZS < 0 khi mặt phẳng nghiêng
lệch về hướng tây (hình 1.4)
14


1.1.2.6. Năng lượng tia bức xạ nhiễu xạ
Hệ số nghiêng rd đối với bức xạ nhiễu xạ là tỷ số của dòng năng lượng
nhiễu xạ tới trên mặt nghiêng và tới trên mặt ngang. Giá trị rd này phụ thuộc vào sự

phân bố bức xạ nhiễu xạ trên bầu trời và trên phần bầu trời mà mặt nghiêng thu
bức xạ. Nếu giả thuyết bức xạ nhiễu xạ là đẳng hướng, ta có thừa số nghiêng rd xác
định bằng công thức :

Ở đây là góc nghiêng của mặt nghiêng đối với mặt ngang.
1.1.2.7.Năng lượng tia bức xạ phản xạ
Bức xạ phản xạ là thành phần bức xạ tới mặt quan sát do phản xạ từ mặt nền
xung quang mặt quang sát và hệ số phản xạ bằng ρ, thì hệ số nghiêng đối với bức
xạ phản xạ sẽ là

1.1.2.8. Năng lượng mặt trời tới mặt nghiêng
Gọi IT là tổng các thành phần bức xạ tới trên mặt nghiêng, thì:
IT = Ibrb + Idrd + (Ib + Id)rr

(1.7)

Trong đó : Ib,Id là các mật độ dòng năng lượng mặt trời ứng với các thành phần
trực xạ và nhiễu xạ đo được trên mặt nằm ngang.
Cần chú ý rằng phương trình (1.3) chỉ đúng với mặt hướng nam (γ =0) ,còn các
phương trình (1.5), (1.6) là đúng với mặt nghiêng bất kỳ có góc nghiêng. Gọi Ig là
tổng xạ trên mặt ngang, Ig=Ib+Id , thì (1.7) ta có :

15


Khi ứng dụng phương trình (1.7) ta cần biết hệ số phản xạ ρ ,mà trong nhiều
trường hợp là không đo được . Vì vậy người ta thường thừa nhận giá trị ρ = 0.2 để
tính toán .May mắn là thành phần phản xạ chiếm tỷ lệ khá nhỏ trong tổng IT ,nên
sai số không đáng kể.
1.1.3.Năng lượng mặt trời ở Việt nam

1.1.3.1 .Cường độ bức xạ
Theo kết quả nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước mang mả số 52C-01-01a
đã tiến hành xử lý số liệu quan trắc của 112 trạm khí tượng thủy văn phân bố trên
toàn quốc về bức xạ mặt trời và thời gian nắng được thu thập liên tục trong khoảng
thời gian 18 đến 29 năm, mỗi ngày tiến hành 5 lần 2 quan trắc vào các giờ 6h30;
9h30; 12h30; 15h30 và 18h30
•

Giá trị cường độ tổng xạ trung bình ngày được tính theo công thức
Trong đó :

- lượng tổng xạ cả ngày trung bình

- cường độ tổng xạ trung bình ở ký quan trắc đầu có giá trị Q > 0

- cường độ tổng xạ trung bình ở kỳ quan trắc cuối có giá trị Q > 0
 τmoc – khoảng thời gian giữa lúc mặt trời mọc và kỳ quan trắc đầu có
Q>0
 τlan – khoảng thời gian giữa lúc mặt tời lặn và kỳ quan trắc cuối có Q
>0

•

Giá trị cường độ tổng xạ trung bình cả năm ( kWh/m2/năm ) hay
(kWh/m2/N)

Trong đó:



– diện tích của địa phương có đặt trạm quan trắc thứ i
– cường độ bức xạ trung bình trong nhiều năm tại trạm quan trắc thứ
i
16




Vùng
Lãnh thổ
1
2
3

4

– tổng diện tích của nhóm địa phương hoặc tất cả các địa phương
trong toàn quốc ( theo số liệu thống kê năm 1989)
Tên địa phương

CĐBX trung bình
(kWh/m2/n) (kWh/m2/N)
3.19
1.427

Vùng núi phía bắc ,Đông bắc,Đống bằng
sông hồng đến Vinh-Nghệ An
Vùng núi tây bắc,Thanh hóa,Hà tĩnh
4.44
,Quảng trị, Quảng bình

Thừa thiên-Huế , ven biển từ Đà nẳng tới
Phú yên, Kom tum, Gia lai, các tỉnh miền
4.80
đông nam bộ, TPHCM, các tỉnh đồng bằng
sông cửu long
Đắk lak , Lâm đồng, khánh hòa, Ninh
5.61
thuận, Bình thuận, Bá rịa vũng tàu
Cả nước
4.59
Bảng1.5: Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm

1.549
1.799
2.084
1.675

Qua bảng 1.5 ta thấy cường độ bức xạ trung bình ở khu vực 4 là có giá trị lớn
nhất, và khu vực 1 có giá trị nhỏ nhất. Càng đi vào phía nam thì cường độ bức xạ
trung bình càng cao. Do đó khả năng ứng dụng các thiết bị năng lượng mặt trời ở
phía nam đạt hiệu quả cao hơn ở khu vực phía bắc ở nước ta
1.1.3.2 Số trời nắng trong cả năm:
Số trời nắng được đo bằng nhật quang ký cambell-Stocker, trong đó có một
số ít trạm dùng nhật quan ký Jordan, nhưng sự khác nhau giữa hai loại này là
không đáng kể. Các giờ nắng được tính khi cường độ bức xạ (CĐBX) có giá trị Q
≥ 140 W/m2, đã để lại vết cháy trên bảng đồ. Dựa vào số liệu đo được của 112
trạm để tính số giờ nắng trung bình trong vùng lãnh thổ. Số trung bình cả năm của
các vùng lãnh thổ trong bảng và công thức sau:

Vùng

lãnh
thổ
1
2

Tên địa phương
Điện biên , Lai châu , Sơn la mộc châu
Lào cai, Hà giang ,Vùng tây bắ bộ

Số giờ nắng
trung bình
trong năm
1.930
1.425
17


3

Vùng núi tây bắc ,đông bắc, đồng bằng sông hồng và bắc
khu IV cũ (đến Hà tĩnh)
Quảng bình ,Quảng trị, vùng núi Thừa thiên-Huế
Vùng ven biển từ Quảng trị , Thừa thiên-Huế đến Ninh
thuận
Phan thiết (Bình thuận)
Kon tum, Gia lai, đắk lak , Lâm đồng
Đông nam bộ, TPHCM, đồng bằng sông cửu long
Trung bình cả năm

4

5
6
7
8

1.631
1.818
2.294
2.961
2.431
2.411
1.854

Bảng 1.6: số giờ nắng trung bình trong năm

Trong đó ;





– Số giờ nẳng trung bình trong cả năm (h/N)
Si – diện tích của địa phương có đặt trạm quan trắc thứ I (km2)
Ti – tổng số giờ nắng trung bình trong nhiều năm tại trạm đo thứ I (h/n)
– tổng diện tích của nhóm địa phương hoặc tất cả các địa phương trong
toàn quốc (theo số liệu thống kê năm 19898)

1.1.4 Bức xạ mặt trời truyền qua kính:
Độ hấp thụ, truyền qua và phản xạ của vật liệu là hàm số của bức xạ truyền tới,
độ dày và chỉ số khúc xạ của lớp vật liệu đó. Hầu hết các bộ thu năng lượng mặt

trời đều sử dụng kính làm vật liệu che phủ bề mặt bộ thu vì tính quan học ưu việt
của nó.

1.1.4.1 Hiệu ứng lồng kính:
Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích lũy năng lượng bức xạ của mặt trời
phía dưới một tấm kính hoặc một lớp không khí nào đó, ví dụ CO2 hoặc NO2 .Giải
thích hiện tượng hiệu ứng lồng kính như sau : Tấm kính hoặc lớp không khí có độ
trong đơn sắc Dλ giảm dần khi bước sóng λ tăng . Còn bước sóng λm khi cường độ
bức xạ đơn sắc Eλ cực đại, là bước sóng mang nhiều năng lượng nhất, thì lại giảm
theo định luật Wien ; λ = 2.9.10-3/T
18


Bức xạ mặt trời phát ra từ nhiệt độ cao T0 = 5762K, có năng lượng tập trung
quanh sóng λm0 = 0.5μm, sẽ xuyên qua kính hoàn toàn , vì D(λm0) ≈ 1. Bức xạ thứ
cấp, phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T ≤ 400K, có năng lượng tập trung
quanh sóng λm = 8 μm, hầu như không xuyên qua kính, vì D(λm) ≈ 0 , và bị phản
xạ lại mặt thu. Hiệu số năng lượng (vào-ra) > 0, được tích lũy dưới tấm kính làm
nhiệt độ tại đó tăng lên
Eλ

λm0 =0.5

λ m= 8

D
1

0
Hình 1.5; Hiệu ứng lồng kính

1.1.4.2.Sự phàn xạ của bức xạ mặt trời:
Đối với các bề mặt nhẵn, biểu thức Fresnel của độ phản xạ bức xạ qua môi trường
thứ nhất có độ khúc xạ (chiết suất ) n1 đến môi trường thứ 2 có chiết suất n2 là:

Ei ,Er, tương ứng cường độ bức xạ tới, cường độ bức xạ phản xạ

19


Các góc �1, �2 là góc tới và góc khúc xạ (hình 1.6) có quan hệ với độ khúc xạ theo
đinh luật Snell

Như vậy nếu biết các đại lượng �1, �2 và chiết suất của môi trường n1 ,n2 ta có thể
xác định được độ phản xạ r của bề mặt
Ei
Er

�1

Môi trường 1

n1

Môi trường 2

n2

�2

Qd

Hinh1.6. Quá trình truyền của tia bức xạ
Đối với tai bức xạ tới vuông góc �1,�2 = 0 và các phương trình trên có thể kết
hợp:

Nếu một môi trường là không khí (chiết suất n2 ≈ 1) thì:

Đối với các loại bộ thu năng lượng mặt trời, thường sử dụng kính hoặc vật
liệu màng mỏng trong suốt phủ trên bế mặt hấp thụ nhiệt bức xạ, vì vậy luôn có hai
bề mặt ngăn cách của mỗi lớp vật liệu phủ gây ra tổn thất phản xạ. Nếu bỏ qua
nhiệt lượng hấp thụ của lớp vật liệu này và xét tại thời điểm mà chỉ có thành phẩn
vuông góc với của bức xạ tới (hình 1.7) thì đại lượng (1 - r⊥) của tia bức xạ tới sẽ
tới được bề mặt thứ hai , trong đó đi qua bề mặt ngăn cách và r⊥(1 - r⊥) bị phản xạ

20


trởi lại bề mặt phân cách thứ nhất v.v… Cộng tất cả các thành phần được truyền
qua thì hệ số truyền qua của thành phần vuông góc:

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

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

1

r

(1-r)

(1-r)r

(1-r)

(1-r)

Hình 1.7. Quá trình truyền của tia bức xạ qua lớp phủ không hấp thụ
1.1.4.3 Tổn thất do hấp thụ bức xạ của kính:
21


Sự hấp thụ bức xạ trong vật liệu không trong suốt được xác định bởi định
luật bougure dựa trên giả thiết là sự bức xạ bị hấp thụ tỷ lệ với cường 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 đường đi của tia bức xạ trong vật liệu từ 0 đến δ/cos�2
(với δ là chiều dày của lớp vật liệu) ta có hệ số truyền qua của vật liệu khi có hấp
thụ bức xạ:

Trong đó : Qd là cường độ bức xạ truyền qua lớp vật liệu.
Đối với kính: K có giá trị 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.

1.1.4.4 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 được xác định như sau:
Đối với thành phần vuông góc của bức xạ:

Thành phần song song cũng được xác định bằng biểu thức tương tự. Đối
với bức xạ tới không phân cực, các tính chất quan học được xác định bằng trung
bình cộng của hai thành phần này.

Đối với bộ thu năng lượng mặt trời thực tế, Da thường lớn hơn 0.9 và
r ≈ 0.1. Vì vậy phương trình trên có giá trị D⊥ ≈ 1 (tương đương D⫽ ≈ 1)
1.1.4.5 Hệ số truyền qua đối với bức xạ khuếch tán
Do bức xạ khuếch là vô hướng nên về nguyên tắc lượng bức xạ này truyền
qua kính có thể xác định bằng cách tích phân dòng bức xạ theo tất cả các góc tới.
22


Tuy nhiên do sự phân bố góc của bức xạ khuếch tán nói chung không thể xác định
được nên khó xác định biểu thức tính tích phân này. Nếu bức xạ khuếch tán đến
không phù thuộc vào góc tới thì có thể tính toán đơn giản hóa bằng các định nghĩa
một góc tương đương đối với bức xạ có cùng hệ số truyền qua như bức xạ khuếch
tán đẳng hướng .
•
•

Đối với bức xạ phản xạ từ mặt đất:
�hq = 90 – 0.5788β + 0.002693β2
Đối với bức xạ khuếch tán:
�hq = 59.7 – 0.1388β +0.001497β2

(1.25)
(1.26)

1.1.4.6 Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ(DA)
Tích số DA của hệ số qua và hệ số hấp thụ được xem như ký hiệu biễu diễn
tích chất của 1 tổ hợp bộ thu và kính (DA). Trong đó số bức xạ truyền qua kính và
tới bề mặt thu, một phần lại bị phản xạ trở lại hệ thống kính.Tuy nhiên, không phải
tất cả lượng bức xạ này mất đi mà một phần lớn trong số đó lại được phản xạ bộ
thu nhờ hiệu ứng lồng kính và A là hệ số hấp thụ của bề mặt thu.

Bức xạ mặt trời đến

Hệ thống lớp kính

D

(1-A)D

(1-A)2DRd

(1-A)dRd

(1-A)2DR2d

Bề mặt hấp thụ

DA

DA(1-A)Rd

DA(1-A)2R2d

Hình 1.8: Quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính
23


Đại lượng Rd là hệ số phản xạ của hệ thống kính đối với bức xạ khuếch tán
từ bề thu và có thể xác định từ phương trình Rd = Da(1-Dr) = Da – D như độ chênh
lệch giữa Da và D ở góc tới 600. Nếu hệ thống kính có hai lớp (hay nhiều lớp) thì
Rd 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 phần năng lượng tới được hấp thụ có trị
số:

Nói khác đi, sẽ có (DA) phần năng lượng bức xạ truyền tới bề mặt bộ thu.
Trong thưc tế A khá lớn và Rd khá nhỏ nên một cách gần đúng người ta xác định:
(DA) = 1,01 .D .A

( 1.28)

Do D và A phụ thuộc vào góc tới � nên đương nhiên tích số (DA) cũng phụ
thuộc vào góc tới �. Để xác định quan hệ giữa (DA) và � có thể sử dụng đồ thị ở
hình 1.9, trong đó (DA)n là tích (DA) ứng với trường hợp tia tới vuông góc với bề
mặt bộ thu (� = 0)

24


Hình 1.9. Đường cong (DA)/(DA)n của bộ thu có 1,2,3,4 lớp kính

1.1.4.7 Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ được của bộ thu:
Năng lượng bức xạ của mặt trời được bộ thu hấp thụ gồm 3 phần chính : trực
xạ, tán xạ, phản xạ của mặt đất. Với bộ thu đặc nghiêng một góc β ta có tổng bức
xạ mặt trời hấp thụ của bộ thu như sau :

Trong đó :
•
•
•
•

Qb, Qd: là cường độ bức xạ và trực xạ
Bb là tỷ số giữa bức xạ trực xạ lên mặt phẳng nghiêng và mặt phẳng nằm
ngang.
(1 + cosβ)/2 và (1 - cosβ)/2 là hệ số góc của bộ thu đối với tương ứng bầu
trời và mặt đất.
(DA)b,(DA)d , (DA)g là tích số hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ tương ứng
đối với trực xạ, tán xạ và phản xạ từ mặt đất.

1.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt nam
1.2.1 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT

25