GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG tái tạo

GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

Mục lục
Bài mở đầu: Tổng quan về NLTT
Chương 1: Năng Lượng Mặt Trời
1.1 Mặt trởi và bức xạ mặt trời
1.2 Pin mặt trời
1.3. Sử dụng nhiệt năng mặt trời
1.4. Năng lượng tái tạo và Việt Nam
Chương 2: Năng Lương Gió
2.1. Gió và tài nguyên gió
2.2. Ứng dụng năng lượng gió
2.3. Cấu tạo tua bin điện gió
2.4. Tính toán tua bin điện gió
2.5. Nhà máy điện gió
2.6. Năng lượng gió và Việt Nam
2.7. Ảnh hưởng điện gió đến môi trường
Chương 3: Năng Lương Sinh Khối
3.1 Sinh khối
3.2 Các nguồn sinh khối
3.3 Sử dụng năng lượng sinh khối truyền thống sản xuất điện và nhiệt
năng
3.4 Sử dụng sinh khối để sản xuất nhiên liệu sinh học
3.5 Năng lượng sinh khối và Việt nam
3.6 Các tác động về môi trường
3.7 Giá thành sản xuất
Chương 4: Năng Lương Địa Nhiệt
4.1 Các nguồn năng lượng địa nhiệt
4.2 Sử dụng các nguồn năng lượng địa nhiệt sản xuất Điện năng
4.3 Nguồn năng lượng địa nhiệt tầng nông

4.4 Năng lượng địa nhiệt tại Việt Nam
4.5 Ảnh hưởng về môi trường
4.6 Giá thành sản xuất

Chương 5: Năng Lương Nước
5.1Thủy điện

Trang
3

11
27
51
52
59
64
68
84
96
106
116
118
120
127
131
140
144
146
148
156

163
168
169
171

175

1


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

5.2 Năng lượng sóng biển
5.3 Năng lượng thủy triều.
54.Tiềm năng năng lượng của biển và Việt Nam
Chương 6 : Hydro và Tích trữ Năng Lương Tái Tạo
6.1 Các phương pháp tích trử năng lượng tái tạo
6.2 Hydro chất mang năng lượng đặc biệt
6.3 Tích trử, cung cấp và vận chuyển hydro
6.4 Sản xuất hydro từ nước bằng NLTT
6.5 Thiết bị và công nghệ sản xuất hydro
6.6 Một số ứng dụng sản xuất điện năng bằng hydro
6.7 Triễn vọng sản xuất hydro bằng NLTT
6.8 Các dạng trích trử năng lượng khác

2

178
183

199
199
201
202
203
204
211
211


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

BÀI MỞ ĐẦU
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
1.Khái niệm về năng lượng tái tạo (NLTT)
Tổng tiêu thụ năng lượng của con người trên thế giới hiện tại (tính tổng cộng
tất cả các loại năng lượng như dầu hỏa, than đá, thủy điện, v.v.) khoảng 15 nghìn tỷ
Watt. Trong số 15 nghìn tỷ Watt công suất năng lượng mà con người đang dùng, thì
có đến 37% là từ dầu hỏa, 25% là than đá, và 23% là khí đốt (tổng cộng ba thứ này
đã đến 85%), là những nguồn năng lượng cạn kiệt nhanh chóng và không phục hồi
lại được. Với tốc độ khai thác hiện tại, thì các nguồn năng lượng hóa thạch sẽ gần
như hết đi trong thế kỷ 21. Tương lai năng lượng của thế giới không thể nằm ở những
nguồn này, mà phải nằm ở những nguồn năng lượng tái tạo (renewable energy). Với
sự phân tích đó cho thấy năng lượng tái tạo chính là nguồn năng lượng mới có tiềm
năng phát triển to lớn, đảm bảo cho sự ổn định về cung ứng cho nhu cầu, cho sự phát
triển bền vửng, không phá hoại môi trường và không gây ra việc biến đổi khí hậu.
Khai thác nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp cứu cánh cho thách thức khủng
hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu.

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh:là năng lượng thu được từ những
nguồn liên tục được xem là vô hạn.
Các nguồn năng lượng tái tạo được chú ý nhất hiện nay bao gồm:
-Năng lượng mặt trời: là nguồn năng lượng do bức xạ mặt trời chiếu đến mặt
đất, có thể thu lại và chuyển hóa dưới dạng nhiệt năng hay điện năng.
-Năng lượng gió: là năng lượng của gió thổi trong khí quyển mà người ta có
thể chuyển háo thành cơ năng, điện năng nhờ vào tua-bin gió;
-Năng lượng sinh khối: là năng lượng thu được từ việc đốt cháy các vật thể sống
,các chất thải trong nông nghiệp, phế thải chưn nuôi, rác thải sinh hoạt, rác thải đô
thị…Ngoài việc đốt người ta còn có thể chuyển hóa chúng thành nhiên liệu khí,
lỏng để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch.
-Năng lượng địa nhiệt: là năng lượng có được từ việc khai thác và chuyển hóa
các các vùng có nhiệt độ cao trong các địa tầng trong lòng đất. Nhiệt lượng đó là
kết quả của các phản ứng hạt nhân xẩy ra thường xuyên trong lòng trái đất.

3


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

-Năng lượng nước: là năng lượng có thể chuyển hóa được từ động năng chuyển
động của nước thành điện năng. Năng lượng nước gồm có :
Năng lượng nước sông, sự chuyển hóa là dựa vào thế năng của nước dự trữ
trong các hồ chứa khi nước chảy qua tua-bin ,thế năng của nước tạo ra động năng,
điện năng.
Năng lượng nước đại dương: là năng lượng của sóng biển, thủy triều, hải lưu
được chuyển hóa thành điện năng nhờ hệ thống thu và chuyển hóa năng lượng.
2. Đặc điểm chung của các nguồn NLTT
a) Tính ổn định, bền vững

Nguồn năng lượng hóa thạch phân bố không đều, một số vùng có nhiều dầu khí
như Trung đông, các nước Ả rập… trong khi nhiều nước không có nguồn năng
lượng này. Năng lượng tái tạo như mặt trời, gió có mặt trên khắp trái đất. Khi quả
đất còn tồn tại thì nguồn năng lượng tái tạo còn tồn tại. Do đó tạo ra sự ổn định
năng lượng cho con người và đồng đều khắp trái đất.
b) Tính sạch không gây ô nhiễm môi trường
Trong các loại năng lượng tái tạo, thì chỉ có năng lượng sinh khối là có phát thải
khí CO2, tuy nhiên các nguồn nhiên liệu sinh học đều có gốc từ thực vật, nên trong
quá trình phát triển của nó đã sử dung khí CO2 trong khí quyển để quang hợp, vì
vậy có thể coi là có sự cân bằng CO2 và không có sự bổ sung CO2 vào bầu khí
quyển.
c) Tích trữ, chuyển hóa
Ngoài năng lượng địa nhiệt thì các dang năng lượng tái tạo còn lại đều có tính
không đều và phân tán, vì vậy cần thiết phải có sự tích trữ để đảm bảo sử dụng có
hiệu quả vào sản xuất và đời sống.
d) Giá thành
Ngoài năng lượng nước sông và năng lượng sinh khối thì các dạng năng lượng
tái tạo khác tuy không mất tiền mua nhưng có tính phân tán cao, vì vậy việc tập
trung và chuyển hóa đòi hỏi phải có sự đầu tư cao về kinh phí, công nghệ, vật liệu,
thiết bị thu gom và chuyển hóa. Do đó giá thành đầu tư và giá thành sản phẩm cao.
3. Phát triển nguồn NLTT: xu thế tất yếu ở thế kỷ 21

4


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

Hình 0.1: Mô hình mạng điện trong thế kỹ 21
a) Dự báo

Đối với thế giới: Hiện nay thị phần năng lượng tái tạo tăng lên đáng kể, dự báo
đến năm 2040-2050 sẻ có sản lượng gấp đôi (kể cả năng lượng nước) các dạng năng
lượng khác như năng lượng hóa thạch cộng với năng lượng nguyên tử.
Dự báo về sự phát triễn năng lượng tái tạo và năng lượng hóa thạch thế giới
trong 20 năm từ 2010-2030 thể hiện qua biểu đồ 0.2 . Qua đấy ta thấy sự phát triển
vượt trội của năng lượng tái tạo trong thế kỹ 21.

Hình 0.2: Biểu đồ dự báo tĩ lệ phát triển năng lượng trong giai đoạn 2010-2030(
nguồn Bloomberg 15/4/2015); đơn vị tĩ MWh

5


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

b) Sự phát triễn năng lượng tái tạo ở Việt nam
-Về thiết bị NLTT: Việt Nam cũng như trên thế giới thì các thiết bị năng lượng tái
tạo có năng lượng gió ,thủy điện và năng lượng sinh khối đã xem như công nghệ đã
hoàn thiện, giá thành điện thương phẩm đã có thể cạnh tranh với năng lượng hóa
thạch. Các dạng năng lượng còn phải cần phát triển công nghệ hơn nữa.
-Về tác động của nhà nước: Trong quá trình phát triển NLTT cần thiết có sự hổ trợ
của nhà nước về chính sách ưu đãi, và các chỉ tiêu phát triển ngắn, dài hạn. Trong
đó việc ưu đãi để phát triển thiết bị, công nghệ, việc đánh thuế phát thải cacbon cho
nhiên liệu hóa thạch cũng là biện pháp khuyến khích phát triển NLTT.
-Tăng dần tĩ lệ NLTT trong sản xuất điện, nhiệt năng.
-Tăng việc sử dụng nhiên liệu sinh học cho các phương tiện giao thông vận tải.
Theo các nghiên cứu, đánh giá, các nguồn năng lượng tái tạo có nguồn tài
nguyên lớn nhất và tiềm năng phát triển ở Việt Nam là thủy điện, năng lượng gió,
mặt trời và địa nhiệt.

Tổng tiềm năng kỹ thuật thủy điện vào khoảng 120 tỉ kWh, với công suất tương
ứng khoảng 25.000-30.000 MW; năng lượng sinh khối (chất thải nông nghiệp, chăn
nuôi...) có tiềm năng khoảng 58 triệu Toe; năng lượng gió có thể phát triển khoảng
20.000 - 40.000 MW; năng lượng mặt trời ở hầu hết lãnh thổ có thời gian trên 2.000
giờ nắng mỗi năm, đạt khoãng 4 kWh/m2- ngày.
Hiện trạng, tổng nguồn năng lượng tái tạo của Việt Nam hiện đạt khoảng 15,6
triệu Toe, chiếm 25% tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp. Trong đó chủ yếu là thủy
điện với 16% tổng nhu cầu năng lượng sơ cấp.
Việc phát triển và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, giảm sự phụ thuộc vào
nguồn năng lượng hóa thạch là xu hướng rõ rệt trên thế giới. Ở Việt Nam, chủ trương
này đã được Chính phủ khẳng định từ lâu và việc hình thành các cơ chế, chính sách
phục vụ cho thị trường năng lượng tái tạo cũng đang được đẩy nhanh tiến độ triển
khai.
Tình hình phát triển NLTT ở Việt Nam đang trong giai đoạn bước đầu, kế hoạch
phát triển NLTT trong tầm nhìn đến năm 2020 chiếm 4,5% và năm 2030 là 6% tổng
sản lượng điện năng sản xuất trong nước. Biểu đồ các thành phần phát điện của Việt
Nam đến năm 2020 như hình vẻ sau:

6


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

Giá thành một số loại năng lượng ở Việt nam (tham khảo)

4. Bảng chuyễn đỗi một số đơn vị năng lượng

7

GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

8


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

9


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

14.Đơn vị năng lượng tương đương
1 tấn dầu tương đương –TOE = 41,868 GJ
1 tấn than tương đương-TCE = 0,7 TOE

10


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

CHƯƠNG I
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1. MẶT TRỜI VÀ BỨC XẠ MẶT TRỜI

1.1.1. Tổng quan về năng lượng mặt trời
a) Tiềm năng năng lượng mặt trời trên thế giới
Theo các nhà khoa học ước tính, công suất năng lượng mà mặt trời chiếu
xuống trái đất là vào khoảng 174 triệu tỷ Watt, nhưng trái đất chỉ hấp thụ được một
nửa. Nguồn dự trữ năng lượng mặt trời (có thể chuyển thành năng lượng hữu dụng)
được ước tính tương đương với công suất khoảng 86 triệu tỷ Watt. Đấy là một con
số khổng lồ nếu so với công suất của nhà máy nhiệt điện Phả Lại chỉ khoảng 1 tỷ
Watt.
Tổng tiêu thụ năng lượng của con người trên thế giới hiện tại (tính tổng cộng
tất cả các loại năng lượng như dầu hỏa, than đá, thủy điện, v.v.) khoảng 15 nghìn
tỷ Watt, tức là chỉ bằng khoảng 1/5000 công suất dự trữ của năng lượng mặt trời
cho trái đất. Nhưng tổng cộng dự trữ của tất cả các nguồn khác này (trong đó chủ
yếu là gió) chỉ bằng khoảng 1 phần trăm nguồn dự trữ năng lượng mặt trời. Bởi vậy
có thể nói tương lai năng lượng của thế giới chính là năng lượng mặt trời.
b) Khái quát về tình hình khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời
Đến cuối thế kỷ 20, trình độ công nghệ của thế giới vẫn chưa đủ để chuyển
hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hữu dụng với hiệu quả kinh tế cao, nếu
không kể cách chuyển hóa gián tiếp thông qua nông nghiệp, ví dụ như trồng các
loại cây như cây mía hay củ cải đường để ép ra lấy năng lượng ở dạng cồn. Tình
hình đã hoàn toàn thay đổi,vào đầu thế kỷ 21, do sự tiến bộ của công nghệ thu và
tích trữ mà năng lượng mặt trời đã trở thành loại năng lượng có tính cạnh tranh
cao về kinh tế với các loại hình năng lượng khác.

11


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

Hình 1.1. Bức xạ năng lượng mặt trời cuả các vùng trên thế giới

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên rất lớn, con người đã biết
sử dụng từ rất lâu, nó là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự phát triển
của con người. Ngày nay khi năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, thì năng
lượng mặt trời càng được chú ý phát triễn vì có nhiều ưu điểm như: có mặt khắp
nơi, vĩnh cửu, có trữ lượng vô tận, năng lượng sạch,... Tuy vậy do năng lượng mặt
trời tính chất phân tán và không đều, phụ thuộc vào vị trí địa lý, mùa và thời tiết
trên mặt đất nên việc sử dụng năng lượng mặt trời đến nay vẫn còn nhiều hạn chế.
Khi các tia sáng mặt trời đi vào lớp khí quyễn trái đất, nó bị hấp thụ và phản
xạ một phần, nên khi đến bề mặt trái đất cường độ bức xạ yếu đi. Ở bề mặt trái đất
cũng vì vậy mà bức xạ mặt trời gồm hai phần: một phần là bức xạ trực tiếp (trực
xạ) và một phần do kết quả của việc ánh sáng bị hấp thụ và phản xạ trên đường đi
(tán xạ). Cường độ bức xạ lớn nhất ở mặt đất vào mùa hè là 1000 W/m2.

Hình 1.2. Các tia Bức xạ năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất

12


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

Việc sử dụng năng lượng mặt trời đến nay gồm bốn phương thức cơ bản:
-

Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt năng.
Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành trực tiếp thành điện năng .
Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hóa năng: Hiệu ứng quang hóa.
Chuyển đổi năng lượng mặt trời qua hiệu ứng quang hợp.

Tùy theo phương thức chuyển đổi mà có thiết bị thích hợp. Trong phạm vi

giáo trình này ta chỉ tập trung vào các phương thức chuyễn hóa năng lượng mặt
trời thành nhiệt năng và điện năng.
1.1.2 Mặt trời
Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan
sát được trong vũ trụ. Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo
nên hệ mặt trời nằm trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác. Mặt trời
luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó
truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta. Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt
chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành
tinh của chúng ta.
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,39.109 km (lớn hơn 110
lần đường kính Trái đất). Mặt trời có nhiệt độ rất cao, ở vùng trung tâm xẩy ra phản
ứng nhiệt hạch nên nhiệt độ đạt đến hàng chục triệu độ. Nhiệt độ bề mặt ngoài
khoảng 5762°𝐾, quang phổ bức xạ của mặt trời gần giống với quang phổ bức xạ
của vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ.
Trái đất có đường kính 1,27.104 km, khoảng cách từ mặt trời đến trái đất
trung bình khoảng 1,5.108 km. Mặt phẳng elip của trái đất quay quanh mặt trời gọi
là mặt phẳng hoàng đạo và đường elip gọi là đường hoàng đạo. Trái đất vừa quay
quanh mặt trời một vòng là 365,25 ngày ( 1năm) và vừa quay quanh trục của nó
một vòng là một ngày đêm (24 giờ). Trục trái đất nghiêng với mặt phẳng hoàng
đạo một góc là 23,5° . Do vậy bức xạ mặt trời chiếu đến các vùng khác nhau trên
trái đất cũng khác nhau.

13


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

1.1.3 Bức xạ mặt trời

Trong quá trình diễn biến của phản ứng nhiệt hạch có một lượng vật chất
của Mặt trời bị mất đi để sinh ra một nhiệt lượng. Khối lượng của Mặt trời 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 9.1024kWh (tức là
chưa đầy một phần 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).
a) Quang phổ bức xạ mặt trời
Đặc trưng của bức xạ mặt trời trong không gian bên ngoài mặt trời là một
phổ rộng. Hầu như tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng
gồm: tia tử ngoại (=4.10-3 - 0,38m) chiếm 8,7%, dải ánh sáng nhìn thấy (=0,38
- 0,78m) chiếm khoảng 44,6%, dải hồng ngoại (= 0,78 -103m) chiếm 45,4%.

Hình 1.4. Dải sóng bức xạ điện từ mặt trời
b) Thành phần bức xạ mặt trời chiếu đến mặt trái đất

14


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

+ Một số định nghĩa
-Năng suất bức xạ E (W/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời đến một đơn vị
diện tích bề mặt, trong 1giây. Năng suất bức xạ bao gồm năng suất bức xạ trực xạ
Etrx và năng suất bức xạ tán xạ Etx.
- Năng lượng bức xạ Q (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một
đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, chính là đại lượng tích phân
của năng suất bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1
ngày)

+Bức xạ mặt trời ngoài và trong tầng khí quyễn.
Khi tia bức xạ chiếu đến trái đất thì có hai giai đoạn: ngoài tầng khí quyển và
trong tầng khí quyển. Sự khác nhau đó là do trong tầng khí quyển, bức xạ bị làm
yếu do do tác động của không khí và các hạt lơ lững như khói, bụi, hơi nước..
Ngoài biên tầng khí quyển cường độ bức xạ mặt trời ổn định cả ngày và đêm,
cường độ bức xạ chiếu đến 1m2 bề mặt khoảng Is =1353 W/m2.
Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nhưng
cũng không lớn lắm, nên Is = 1353 W/m2 được gọi là hằng số mặt trời.
Trong tầng khí quyển có tác dụng hấp thụ của bầu khí quyển nên bức xạ mặt
trời yếu đi (do có sự hấp thụ tia bức xạ của các khí ba nguyên tử trở lên, hơi nước,
các hạt bụi…trong bầu khí quyển). Cường độ suy yếu của tia bức xạ phụ thuộc vào
chiều dài quãng đường xuyên qua khối không khí dài hay ngắn và được đặc trưng
bằng trị số m (air mas-hệ số khối không khí). Khi mặt trời chính ngọ thì quãng
đường đố là ngắn nhất. Trị số m phụ thuộc vào cao độ mặt trời, giờ trong ngày, vĩ
độ  và bốn mùa trong năm, có thể tính:
m=

1
𝑠𝑖𝑛𝑠

Trong đó: với s-góc cao độ mặt trời (hình 1.7)
Dưới điều kiện khí quyển vào mùa hè, trước và sau chính ngọ (khoảng 11-13
giờ), năng suất bức xạ mặt trời chiếu đến bề mặt trái đất khoảng 1000W/m2.
15


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

1.1.4. Các thông số hình học mặt trời đối với trái đất

a)Góc nhìn của trái đất đối với mặt trời:
Do đường kính trái đất rất nhỏ so với mặt trời và khoảng cách rất xa nên góc nhìn
của trái đất đối với mặt trời chỉ 32° ,vì vậy có thể xem các tia bức xạ của mặt trời
chiếu lên trái đất là song song ( hình 1.12)

Hình 1.5: Góc nhìn của trái đất đối với mặt trời
b)Góc lệch  giữa trục trái đất và mặt phẳng hoàng đạo
Góc lệch giữa bề mặt trái đất với mặt phẵng hoàng đạo thay đổi theo từng ngày
trong năm. Ngoài các ngày đặc biệt của năm, các ngày khác có thể xác định qua
công thức Coopr như sau:
360

=23,45sin [

365

(284+n)]

(1-1)

Trong đó;
n-số thứ tự ngày trong năm tính từ ngày 1/1;
Góc >0 khi trục lệch về hướng bắc ứng với khoảng thời gian từ 21/3-21/9 và <0
hướng nam, từ 21/9-21/3, (hình 1.6)
Các ngày đặc biệt có góc  = 0, có nghĩa trục quay của trái đất vuông góc với mặt
phẳng hoàng đạo, gồm:
21/3: ngày xuân phân
21/6: ngày hạ chí

16

GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

21/9; ngày thu phân
21/12: ngày đông chí

Hình 1.6: đồ thị xác định góc lệch 
Bảng 1.1: Tính n là thứ tự các ngày trong năm
Tháng
01
02
03
04

n=
tháng+i
i
31+i
59+i
90+i

Tháng
05
06
07
08

Tháng

n=
tháng+i
120+i
151+i
181+i
212+i

09
10
11
12
360

Ví dụ: Ngày 31.01 có góc lệch = 23,45sin [

365

Ngày 1/12 có góc lệch = 23,45sin [

360
365

n=
tháng+i
243+i
273+i
304+i
334+i

(284+31)]= -17,80
(284+335)]= -22,11°

c)Góc giờ mặt trời 
Là góc xác định vị trí của mặt trời trên bầu trời tại một thời điểm bất kỳ từ
lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn. Người ta qui ước mặt trời ở thiên đỉnh có 
= 0 (12h), buổi sáng  < 0, chiều  > 0. Nếu coi trái đất đứng yên thì mỗi giờ trái
đất quay quanh trục của nó được 360/24=15°, mỗi phút kinh tuyến ứng với 4 phút
giờ trái đất. Tại một thời điểm bất kỳ buổi sáng lấy giá trị âm, buổi chiều giá trị
dương:
Ví dụ: khi Ttg= 9h sáng thì  = (9-12).15 = -45° <0,
khi Ttg=15h thì  = (15- 12).15 = +450 >0.
17


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

d) Góc cao độ mặt trời s :
Là góc giữa tia bức xạ và mặt phẳng nằm ngang. Góc cao độ mặt trời s thể
hiện ở hình 1-7.
Thiên
đỉnh

Mặt
trời

z
T

s


B


s
N

Đ



Hình 1-7. Các góc mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
e)Góc thiên đỉnh z:
Là góc lệch giữa phương của tia mặt trời và pháp tuyến của mặt phẳng nằm
ngang. z là góc phụ của s
f) Góc tới :
Là góc giữa tia mặt trời truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt nghiêng
khảo sát. Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc tới là góc thiên đỉnh.
g) Góc phương vị mặt trời s:
Là góc lệch của hình chiếu tia mặt trời lên mặt phẳng nằm ngang với hướng
nam. Khi măt trời hướng chính nam thì s = 0, khi mặt trời ở phía Đông s< 0 và
khi ở phia Tây s > 0. -1800 ≤s ≤ 1800
h) Góc nghiêng bề mặt nhận bức xạ :

18


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

TS. NGUYỄN DÁO

Là góc giữa bề mặt nhận bức xạ và mặt phẳng nằm ngang với bề mặt trái đất
(0°<<90°). Theo kinh nghiệm trong vùng chí tuyến bắc và nam, góc nghiêng của
collector < 23,5°, ngoài vùng chí tuyến góc nghiêng bằng vỉ độ (=). Quan hệ
giữa các góc:
-Góc độ cao mặt trời: sins = sin sin + cos cos cos
-Góc tới: cos = sin(sin cos + cos cos cos sin)
+ cos( cos cos cos- sin cos sin) + cos sin sin sin
Nếu bề mặt thu có hướng chính nam  = 0, thì công thức trên đơn giản hơn:
cos = sin (sin cos+ cos cos sin) + cos( cos cos cos - sin sin)
= sin sin(- ) + cos cos cos(-)
-Góc thiên đỉnh: cosz = cos cos cos+ sin sin
-Góc phương vị:

sins =

hay coss =

𝑐𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑛
𝑐𝑜𝑠𝑠
𝑐𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑛−𝑠𝑖𝑛
𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠

Ví dụ: 1.1. Tính góc tới của tia bức xạ trên collector nằm nghiêng tại TP.HCM lúc
10h30, ngày 13/2, cho biết  = 45°, c= 15° hướng tây nam.
Giải:  =10,75°; n = 44;  = -14°;  = -22, 5°;  = 45°; c = 15°.
Cos = sin10,75 (sin-14cos45 + cos-14 cos15 cos-22,5 sin45)
+ cos10,75( cos-14 cos-22,5 cos45- sin-14 cos15 sin45) + cos-14 sin15 sin22,5 sin45= 0,799
 = 36,93°

Ví dụ: 1.2. Tính góc thiên đỉnh và góc phương vị tại vùng có vĩ độ 43o, lúc 9.30h
ngày 13/2

19


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

Giải:
9,h30 ngày 13/2 có n = 44,  = -14°;  = -37,5o;
Góc thiên đỉnh tính theo mặt phẳng nằm ngang
cosz = cos cos cos + sin sin
cosz = cos43cos(-14) cos(-37,5) + sin43 sin(-14) = 0,398
z = 66,54°.
Góc phương vị:

sins =

𝑐𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑛

=

𝑐𝑜𝑠𝑠

cos−14 sin−37,5
cos(90−66,54)

= 0,644

-> s = 40,08°
Ví dụ: 1.3. Tính góc cao mặt trời, góc thiên đỉnh và góc phương vị mặt trời lúc
16h ngày 16/3 ở vĩ độ 430 đối với mặt phẳng nằm ngang.
Giải
Ngày 16/3 có  = - 2,4,  = 600
Tính góc cao độ:
Cosz = sins
Sins = sin sin + cos cos cos = sin 43sin-2,4 + cos43cos-2,4cos60 =
0,337=> s = 19,70
Góc thiên đỉnh : z = 90 - 19,7 = 70,30
Tính góc phương vị:
sins =

𝑐𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑛
𝑐𝑜𝑠𝑠

=

cos−2,4sin 60
cos19,7

= 0,92 => s = 67°

20


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

1.1.5. Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất

Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất (tổng xạ) gồm hai thành
phần: bức xạ trực xạ và tán xạ. Người ta thường chia ra ba thành phần tán xạ sau
(hình :1-8)

Hình 1.8: Các thành phần tán xạ trong vùng khí quyễn trái đất
-Thành phần tán xạ đẳng hướng: tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ bầu trời.
-Thành phần tán xạ xung quanh tia: tán xạ bị phát tán xung quanh tia sáng mặt trời.
-Thành phần tán xạ chân trời: tán xạ phát ra từ đường chân trời.
Ngoài ra còn có thành phần bức xạ phản xạ từ các bề mặt khác lân cận (như mặt đất,
cây cối, nhà cửa …).
Cường độ tán xạ phụ thuộc vào độ phản xạ mặt đất Rg rất nhiều. Những bề mặt
có độ phản xạ cao ( như bề mặt phủ tuyết khoảng Rg =0,7) sẻ phản xạ các tia tới
trở lại bầu trời và sau đó bị phát tán trở thành tán xạ chân trời. Hệ số phản xạ của
các bề mặt ở nhiệt độ 300°𝐾 ở bảng sau:
Bảng 1.2 : Các hệ số bức xạ mặt trời trên mặt đất

21


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

Vật liệu

Hệ số hấp thụ
bức xạ mặt trời
0,2
0,4
0,18
0,82

0,71 - 0,79
0,2 - 0,35
0,75
0,22
0,9

Nhôm đánh bóng
Crom đánh bóng
Đồng đánh bóng
Giấy dầu
Lá cây,măt đất
Tuyết
Gạch đỏ
Sơn trắng kẻm
Sơn đen dầu

Hệ số phản xạ
bức xạ mặt trời
0,8
0,6
0,82
0,18
0,29 - 0,2
0,80 - 0,65
0,65
0,78
0,1

Như vậy, bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng trên trái đất Engh là tổng
của các dòng bức xạ trực xạ Eb, ba thành phần bức xạ tán xạ gồm Ed1, Ed2, Ed3 và

bức xạ phản xạ từ các bề mặt lân cận Er (hình 1-8):
E = Eb + Ed1+ Ed2 + Ed3 + Er

(1-2)

Tuy nhiên việc tính toán các thành phần tán xạ là rất phức tạp. Vì vậy người
ta giả thiết tổng bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất là như
nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt. Như vậy, tổng xạ
trên bề mặt ngang sẽ là tổng của trực xạ Eb và tán xạ trên mặt nằm ngang Ed.
Khi đó một bề mặt nghiêng tạo góc  so với phương nằm ngang sẽ có tổng xạ
E gồm 3 thành phần:
 1  cos 
 1  cos 
  E .Rg 

 2 
 2 

E = Eb.Rb + Ed 

(1-3)

Trong đó:
(1 + cos)/2 là hệ số góc nhìn tán xạ từ mặt thu về phía bầu trời;
(1 - cos)/2 là hệ số góc nhìn tán xạ từ bề mặt thu về phía mặt đất
E = Eb+Ed
E-tổng xạ trung bình đo được trên bề mặt nằm ngang; kWh/m2/ ngày
22

GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

Eb- thành phần trực xạ trong tổng xạ đo được, lấy theo số liệu đo ( ví dụ: Nam bộ
Eb= 2,43 kWh/m2-ngày = 51% tổng xạ)
Ed-thành phần tán xạ trong tổng xạ đo được ( ví dụ: Nam bộ Ed = 49% tổng xạ)
Rg - hệ số phản xạ tia bức xạ của môi trường xung quanh (bảng 1.1)
Rb - hệ số chuyển đổi bức xạ từ mặt ngang sang mặt nghiêng
Rb theo các góc mặt trời (hình 1-9):

𝑅𝑏 =

𝐸𝑏𝑛𝑔ℎ
𝐸𝑏𝑛𝑔

=

𝐸𝑛 𝑐𝑜𝑠
𝐸𝑛 cosz

=

𝑐𝑜𝑠

(1-4)

cosz

Trong đó:
En - cường độ bức xạ mặt trời tới theo phương bất kỳ,

Ebng – bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt nằm ngang,
Ebngh – bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng,
cos và cosz được xác định theo các phương trình trên và các góc được biểu diễn
trên hình 1.9

a)

b)

Hình 1.9: Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang (a) và nghiêng (b)
Ví dụ: 1.4.
Tính toán tổng xạ ngày lên một bề mặt nghiêng cố định, tạo góc  so với phương
nằm ngang , nghiêng về hướng Nam E, gồm các số liệu sau:
Vị trí lắp đặt: Thành phố Hồ Chí Minh

 = 10,750N;106.40E

Số ngày nắng trung bình trong một ngày:

T = 6,6 giờ

23


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

Tổng bức xạ trung bình ngày trên mặt ngang
E= 4,8 (kWh/m²/ngày)
Góc nghiêng:

β =+100 = 210
Cường độ bức xạ mặt trời từng giờ đến mặt nghiêng khảo sát:
1+𝑐𝑜𝑠𝛽

Eβ = Eb.Rb + Ed.(

2

1−𝑐𝑜𝑠𝛽

) + (Eb +Ed)(

2

).ρ

Eb: trực xạ: số liệu đo đạc: Eb = 0,51
Ed: tán xạ: Ed = 0,49
Rb: hệ số chuyển đổi trực xạ.
Rb =

𝑐𝑜𝑠(−𝛽).𝑐𝑜𝑠𝛿.𝑐𝑜𝑠𝜔 + 𝑠𝑖𝑛(−𝛽).𝑠𝑖𝑛𝛿
𝑐𝑜𝑠.𝑐𝑜𝑠𝛿.𝑐𝑜𝑠𝜔 + 𝑠𝑖𝑛.𝑠𝑖𝑛𝛿

Vào thời điểm ví dụ ngày 21 tháng 6 (ngày lập hạ) và tính từ ngày 1 tháng 1 => n=
172
⇒ 𝛿 = 23,45 × sin (360 ×

284 + 172
) = 23𝑜 45′

365

ρ: suất phản chiếu môi trường xung quanh: bề mặt không có tuyết: 0.2
-Tổng bức xạ trung bình trên mặt ngang ETB
E

4800

𝑇

6.6

ETB= =

= 727(Wh/m2)

-Tổng bức xạ trên mặt nghiêng vào thời điểm 12h trưa (ω=0).
Hệ số chuyển đổi trực xạ
Rb =

𝑐𝑜𝑠(−𝛽).𝑐𝑜𝑠𝛿.𝑐𝑜𝑠𝜔 + 𝑠𝑖𝑛(−𝛽).𝑠𝑖𝑛𝛿
𝑐𝑜𝑠.𝑐𝑜𝑠𝛿.𝑐𝑜𝑠𝜔 + 𝑠𝑖𝑛.𝑠𝑖𝑛𝛿
𝑐𝑜𝑠(11−21).𝑐𝑜𝑠(23.45).𝑐𝑜𝑠(0)+𝑠𝑖𝑛(11−21).𝑠𝑖𝑛(23.45)

=

𝑐𝑜𝑠(11).𝑐𝑜𝑠(23.45).𝑐𝑜𝑠(0)+𝑠𝑖𝑛(11).𝑠𝑖𝑛(23.45)

= 0,8545
-Tổng bức xạ trên mặt nghiêng lúc 12h

1+𝑐𝑜𝑠𝛽

Eβ12 = Eb.Rb + Ed.(

2

1−𝑐𝑜𝑠𝛽

) + (Eb +Ed)(
1+𝑐𝑜𝑠21

= 0,51 . 727.0,8545 + 0,49 . 727.(

2

2

).ρ

1−𝑐𝑜𝑠21

) + 727. (

2

).0,2

= 666 (Wh/m2).
-Tương tự cho các giờ khác
E = E12sins

sins = sin sin + cos cos cos
Trong đó: s- góc cao độ của mặt trời so mặt đất, thay đổi theo giờ thể hiện qua .

24


GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
TS. NGUYỄN DÁO

E theo từng giờ nắng có bảng như sau:
Khi chọn giờ mặt trời là từ 8h sáng đến 15h chiều
Tính tương tự ta có kết quả Rb , E như sau:
Giờ
9h
ω
-45
Rb
0.8000
2
Eβ(Wh/m )
645

10h
-30
0.8337

11h
-15
0.8497

12h
0
0.8545

13h
15
0.8497

14h
30
0.8337

15h
45
0.8000

658,3

664,3

666

664,3

658,3

645

Tính được tổng xạ trung bình ngày lên mặt phẵng nghiêng tại T.P. Hồ Chí Minh:
Eβ= Eβ = 4.601,2 (Wh/m²/ngày) .(6,6/7) = 4.338,3 Wh/m2/ngày

Lưu ý:
1) Dựa vào số liệu của bức xạ mặt trời ở các vùng khác nhau của Việt Nam
ở các bảng 1.4,1.5.1.6, ta thu được số liệu để tính tổng xạ của một mặt phẵng
nghiêng trong một ngày trung bình theo năm như ví dụ 1.5 đã thực hiện. Ta cũng
có thể lấy trung bình của từng tháng và qua đó lấy được trung bình theo năm.
2) Trường hợp mặt phẳng nghiêng quay theo mặt trời ta dựa vào đồ thị 1.10
và dựa vào số liệu trung bình /ngày theo các bảng 1.4, 1.5, 1.6 . Khi đó mặt phẵng
nghiêng nhận bức xạ tương tự như lúc 12 giờ, có thể tính tổng xạ lên mặt phẵng
nghiêng như sau:
Eβ= 6,6.Eβ12 = 6,6.666 = 4.395,6 (Wh/m²/ngày)
Hình 1.10: Biểu đồ năng lượng thu của mặt phẵng cố định và quay theo mặt trời

25