408004
Năng lượng tái tạo
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
/>
Bài giảng 2
1
Ch. 2: Năng lượng mặt trời
2.1. Nguồn năng lượng mặt trời
Phổ mặt trời
Quỹ đạo trái đất
Góc chiếu của mặt trời vào giữa trưa
Vị trí mặt trời theo giờ trong ngày
Phân tích bóng che dùng sơ đồ hướng mặt trời
Tính giờ mặt trời theo múi giờ
Mặt trời mọc và lặn
Bài giảng 2
2
Tài nguyên mặt trời
Để tìm hiểu năng lượng mặt trời, cần tìm hiểu về mặt
trời
Cần biết có bao nhiêu năng lượng ánh sáng
Có thể dự đoán vị trí mặt trời ở thời điểm bất kỳ
Bức xạ (insolation: incident solar radiation)
Muốn xác định bức xạ trung bình mỗi ngày ở một vị trí
Muốn có thể chọn vị trí và góc nghiêng hiệu quả cho
các tấm pin mặt trời
Bài giảng 2
3
Mặt trời và bức xạ vật đen
Mặt trời: đường kính 1,4x 106 km, công suất bức xạ
3,8.1020 MW
Vật đen
Vừa là vật phát xạ lý tưởng, vừa là vật hấp thụ lý
tưởng
Phát xạ lý tưởng: phát xạ nhiều năng lượng hơn
vật thể thực ở cùng nhiệt độ
Hấp thụ lý tưởng: hấp thụ toàn bộ, không phản xạ
Bài giảng 2
4
Định luật Planck
Các bước sóng phát ra bởi vật đen phụ thuộc vào
nhiệt độ của nó:
3,74 ×10
Eλ =
14400
5
λT
λ e
− 1
8
λ = bước sóng (µm)
Eλ = công suất phát ra trên đơn vị diện tích (W/m2-µm)
T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (°K)
Bài giảng 2
5
Phổ điện từ
Ánh sáng thấy được có bước sóng nằm giữa 0,4 và
0,7 µm, tử ngoại ngắn hơn, hồng ngoại dài hơn.
Bài giảng 2
6
Phổ của vật đen 15 °C (288 °K)
Diện tích dưới đường cong = tổng công suất bức xạ
Bài giảng 2
7
Định luật Stefan-Boltzmann
Tổng công suất bức xạ theo định luật bức xạ Stefan Boltzmann:
E = AσT
4
E = tổng công suất bức xạ (W)
σ = hằng số Stefan-Boltzmann = 5,67.10-8 W/m2-K4
T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (°K)
A = diện tích bề mặt vật đen (m2)
Bài giảng 2
8
Nguyên lý dịch chuyển Wien
Bước sóng tại đó phổ bức xạ đạt cực đại:
λmax
2898
=
T
T = nhiệt độ tuyệt đối (°K)
λ = bước sóng (µm)
λmax = 0,5 µm đối với mặt trời, 5800 °K
λmax = 10,1 µm với trái đất (xem như vật đen), 288 °K
Bài giảng 2
9
Phổ mặt trời bên ngoài khí quyển
Bài giảng 2
10
Tỷ số khối lượng không khí
h1 = chiều dài đường đi khi thẳng góc
h2 = chiều dài đường đi ở góc bất kỳ
β = góc cao độ của tia sáng mặt trời
Bài giảng 2
11
Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất
m sẽ tăng khi mặt trời xuất hiện thấp hơn. Phổ màu
xanh bị hao hụt nhiều đối với giá trị m cao, vì vậy mặt
trời có vẻ đỏ hơn khi mọc và lặn.
Bài giảng 2
12
Quỹ đạo trái đất
Trong một ngày, trái đất quay 360,99°
Trái đất quét thành mặt phẳng elip khi di chuyển
Trục trái đất nghiêng 23,45°
Điểm xuân phân, thuphân – ngày bằng đêm, xảy ra
vào 21 tháng ba, và 21 tháng chín.
Đông chí – Bắc cực nghiêng xa nhất so với mặt trời
Hạ chí – Bắc cực nghiêng gần nhất so với mặt trời
Bài giảng 2
13
Quỹ đạo trái đất
Với các ứng dụng điện mặt trời, chúng ta xem quỹ đạo của
trái đất là không đổi.
Bài giảng 2
14
Góc suy giảm
Góc suy giảm δ – góc tạo bởi mặt phẳng xích đạo và
đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất.
δ thay đổi giữa ±23,45°
Giả sử biến thiên hình sin, một năm có 365 ngày, và
n=81 ứng với xuân phân, có thể xấp xỉ δ theo
360
( n − 81)
δ = 23,45 sin
365
Bài giảng 2
15
Vị trí của mặt trời trên bầu trời
Một cách nhìn khác
Dự đoán vị trí của mặt trời vào thời điểm bất kỳ
Chọn góc nghiêng tốt nhất cho các tấm PV
Bài giảng 2
16
Đứng bóng và góc nghiêng của bộ thu
Đứng bóng – mặt trời
nằm ngay trên kinh
tuyến địa phương
Quy tắc vàng cho bắc
bán cầu – bộ thu hướng
về chính nam nghiêng 1
góc bằng vĩ độ.
Khi đứng bóng, tia sáng mặt trời đập vuông góc vào
bề mặt bộ thu.
Bài giảng 2
17
Góc cao độ β N khi đứng bóng
Góc cao độ khi đứng bóng βN – góc giữa mặt trời và
chân trời địa phương.
βN = 90° – L + δ
Thiên đỉnh (zenith) –
trục thẳng đứng tại
điểm đang xét.
Bài giảng 2
18
Ví dụ 7.2 – Góc nghiêng của module PV
Tìm góc nghiêng tối ưu cho module PV hướng về phía
nam nằm ở Tp. HCM (vĩ độ 10,97°) khi đứng bóng vào
ngày 01 tháng ba.
Từ bảng 7.1, ngày 01/3 có chỉ số ngày là 60.
Tính ra góc suy giảm δ = - 8,3°
Góc cao độ là βN = 90° – 10,97° – 8,3° = 70,73°
Để tia sáng mặt trời vuông góc với tấm PV, cần nghiêng
một góc = 90° – 70,73° = 19,27°
Cách tính nhanh hơn?
Bài giảng 2
19
Vị trí của mặt trời trong ngày
Vị trí được mô tả theo góc cao độ β và góc phương vị
của mặt trời φs.
β và φs phụ thuộc vào vĩ độ, chỉ số ngày, và thời điểm.
Quy ước góc phương vị (φs)
- dương vào buổi sáng khi mặt trời ở hướng đông
- âm vào buổi tối khi mặt trời ở hướng tây
- phương tham chiếu (cho bắc bán cầu) là chính nam
Góc giờ lấy tham chiếu là đứng bóng
Bài giảng 2
20
Góc cao độ và góc phương vị
Bài giảng 2
21
Góc giờ
Góc giờ H – số độ mà trái đất phải quay thêm để mặt
trời đến kinh tuyến địa phương của bạn.
Nếu xem trái đất quay mỗi giờ được 15°, ta có
Góc giờ H = (15°/giờ)(số giờ trước khi đứng bóng)
Vào lúc 11 giờ sáng, H = +15° (trái đất cần quay thêm
1 giờ nữa)
Vào lúc 2 giờ chiều, H = –30°
Bài giảng 2
22
Góc cao độ và góc phương vị
sin(β) = cos(L)cos(δ)cos(H) + sin(L)sin(δ)
sin(φs) = [(cos(δ)sin(H)]/cos(β)
H = góc giờ
L = vĩ độ (tính bằng độ)
Kiểm tra để xác định xem góc nhỏ hơn hay lớn hơn
90° so với hướng chính nam:
nếu cos(H) ≥ tan(δ)/tan(L), thì |φs| ≤ 90°,
ngược lại |φs| > 90°
Bài giảng 2
23
Ví dụ 7.3 – Mặt trời ở đâu?
Tìm góc cao độ và góc phương vị lúc 3 giờ chiều ở Bình
Dương (vĩ độ 10,93°) vào ngày hạ chí.
Vào ngày hạ chí, góc suy giảm δ = 23,45°
Góc giờ = (15°)(-3) = –45°
sin(β) = cos(10,93°)cos(23,45°)cos(–45°)
+ sin(10,93°)sin(23,45°) = 0,7124
β = 45,43°
sin(φs) = cos(23,45°)sin(–45°)/cos(45.43°) = -0,9244
Chọn φs = 247,6°. Tại sao?
Bài giảng 2
24
Lược đồ quỹ đạo mặt trời để pt bóng che
Ta đã biết cách xác định vị trí mặt trời
Điều này cũng giúp xác định địa điểm nào sẽ bị bóng
che vào thời điểm nào đó
Vẽ các góc phương vị và cao độ của cây, tòa nhà, và
các vật cản khác
Những phần lược đồ quỹ đạo mặt trời bị che khuất cho
biết thời điểm mà địa điểm đó sẽ bị bóng che.
Bài giảng 2
25