Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt

Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

MỤC LỤC
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục bảng
Danh mục hình
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC CÔNG
NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...................................................................... 13
1.1. NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI............................................................... 13
1.1.1. Bức xạ mặt trời ................................................................................................ 13
1.1.1.1. Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển..................................... 14
1.1.1.2. Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất ........................................................ 19
1.1.2. Nguồn gốc năng lượng mặt trời ....................................................................... 24
1.2. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI................................................................................................. 25
1.2.1. Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời ...................... 25
1.2.2. Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới ...................................... 27
1.2.3. Các hệ thống năng lượng mặt trời hội tụ (Concentrating solar power - CSP).... 34
1.2.4. Công nghệ Quang điện (Photovoltaics - PV).................................................... 36
1.2.5. Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp ............................................................ 36
1.3. CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG.................. 37
1.3.1. Hiệu ứng nhà kính và một số ứng dụng............................................................ 37
1.3.1.1. Hiệu ứng nhà kính.............................................................................. 37
1.3.1.2. Một số ứng dụng hiệu ứng nhà kính trong công nghệ năng lượng mặt
trời.................................................................................................................. 39
1.3.2. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời............................................ 46
1.3.2.1. Nguyên lý chung ................................................................................ 46
1.3.2.2. Cấu tạo của hệ thống thiết bị đun nước nóng năng lượng mặt trời ...... 47

1.3.2.3. Chu trình đối lưu tự nhiên và chu trình đối lưu cưỡng bức ................. 50
1.3.2.4. Các loại bộ thu nước nóng năng lượng mặt trời .................................. 52
1.4. TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA VIỆT NAM
.................................................................................................................................. 61
1.4.1. Tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam ................................................. 61
1.4.2. Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời.......................................................... 65
1.4.2. Cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời................................................ 67
1.4.4. Các ứng dụng khác .......................................................................................... 69
1.5. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
.................................................................................................................................. 69
1.5.1. Đặc điểm không ổn định của năng lượng mặt trời ............................................ 69
1.5.2. Đối với các ứng dụng nhiệt mặt trời................................................................. 70

HV: Nguyễn Đình Đáp

3

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

1.5.3. Đối với điện mặt trời........................................................................................ 71
1.6. TÍNH KINH TẾ VÀ TRIỂN VỌNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .................... 71
1.6.1. Tính kinh tế ..................................................................................................... 71
1.6.2. Triển vọng năng lượng mặt trời ....................................................................... 72
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 75
2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU..................................................... 75

2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................... 77
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................................................... 77
2.3.1. Các phương pháp nghiên cứu thông dụng ........................................................ 77
2.3.2. Thu thập số liệu tự động SWH Data logger...................................................... 78
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................. 83
3.1. TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI ................................. 83
3.2.1. Các đặc thù của Hà Nội ................................................................................... 83
3.1.2. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Hà Nội....................................................... 83
3.2. HIỆN TRẠNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG
MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI.......................................................................................... 85
3.2.1. Hiện trạng nghiên cứu...................................................................................... 85
3.2.2. Công suất lắp đặt ............................................................................................. 86
3.3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI ............................................................................................................... 92
3.3.1. Kết quả thí nghiệm về nhiệt độ (đầu vào và ra) và lượng nước sử dụng ........... 92
3.3.1.1. Nhiệt độ trung bình nước lạnh vào và nước nóng ra ........................... 92
3.3.2.2. Lượng nước nóng sử dụng, thời gian sử dụng nước nóng ................... 93
3.3.2. Các kết quả tính toán về tiết kiệm chi phí, năng lượng và môi trường của thiết bị
đun nước nóng mặt trời ............................................................................................. 98
3.3.2.1. Tiết kiệm về điện năng ....................................................................... 98
3.3.2.2. Lượng phát thải CO2 giảm được......................................................... 99
3.3.2.3. Lượng phát thải SO2 giảm được ....................................................... 100
3.3.2.4. Giảm phát thải bụi............................................................................ 102
3.4. MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG
BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI....................................................................... 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 109
KẾT LUẬN............................................................................................................. 109
KIẾN NGHỊ: ........................................................................................................... 109
Tài liệu tham khảo................................................................................................. 111

HV: Nguyễn Đình Đáp

4

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Danh mục các từ viết tắt
BVMT

Bảo vệ môi trường

BXMT

Bức xạ mặt trời

CN NLMT

Công nghệ năng lượng mặt trời

CTMTQG

Chương trình Mục tiêu Quốc gia

ĐMT

Điện mặt trời

ĐNNMT

Đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời

NL

Năng lượng

NLMT

Năng lượng mặt trời

PV

Hiệu ứng quang điện (Photovaltaic)

TBNNMT

Thiết bị nước nóng mặt trời

TTNLM

Trung tâm Năng lượng mới

Wp

Công suất nhiệt tiêu chuẩn (Watt - peak)

Wth

Công suất nhiệt (Watt - thermal)

HV: Nguyễn Đình Đáp

5

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Danh mục bảng
Bảng 1.1. Các giá trị δ, n tương ứng theo ngày .......................................................... 16
Bảng 1.2. Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng .................................................... 17
Bảng 1.3. Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn (công suất trên 1MWp) . 29
Bảng 1.4. Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đã
lắp đặt tại một số nước............................................................................................... 30
Bảng 1.5. Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW) ................... 31
Bảng 1.6. Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới..................................... 32
Bảng 1.7. Các nhà máy CSP đang hoạt động ............................................................. 35
Bảng 1.8. Kết quả kiểm tra thành phần nước trước và sau khi chưng cất ................... 43
Bảng 1.9. Một số thông số về nhiệt độ của bếp trong quá trình sử dụng..................... 45
Bảng 1.10. Tính chất của một số vật liệu dùng làm tấm phủ trong suốt...................... 49
Bảng 1.11. Năng lượng mặt trời trên các vùng lãnh thổ Việt Nam ............................. 61
Bảng 1.12. Số liệu về bức xạ mặt trời trung bình tại một số địa phương .................... 63
Bảng 1.13. Lộ trình phát triến nước nóng mặt trời ..................................................... 68

Bảng 2.1. Lắp đặt các hệ thí nghiệm sử dụng thiết bị ĐNNMT.................................. 75
Bảng 3.1. Lượng tổng xạ cả ngày trung bình Qtb (đơn vị: kWh/m2.ngày).................. 84
Bảng 3.2. Lượng tán xạ cả ngày trung bình Dtb (đơn vị: kWh/m2.ngày) .................... 84
Bảng 3.3. Lượng trực xạ cả ngày trung bình Itb (đơn vị: kWh/m2.ngày) .................... 84
Bảng 3.4. Số giờ nắng cả ngày trung bình (lý thuyết) N (đơn vị: giờ/ngày)................ 84
Bảng 3.5. Số thiết bị nước nóng mặt trời ................................................................... 87
Bản 3.6. Tỷ lệ tham gia của các quận/huyện .............................................................. 88
Bảng 3.7. Số thiết bị, tổng dung tích bình chứa và tỷ lệ tăng trưởng hàng năm .......... 91
Bảng 3.8. Nhiệt độ trung bình nước vào và ra, lượng nước nóng sử dụng trung bình
hàng ngày và lượng năng lượng tiết kiệm của các hộ thí nghiệm ............................... 92
Bảng 3.9. Múc phí đối với các khí thải gây ô nhiễm môi trường .............................. 101
Bảng 3.10. Tổng hợp kết quả tiết kiệm điện và lợi ích môi trường của thiết bị ĐNNMT
................................................................................................................................ 103

HV: Nguyễn Đình Đáp

6

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Danh mục hình
Hình 1.1. Quang phổ của bức xạ mặt trời................................................................... 19
Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính .................... 38
Hình 1.3. Thiết bị sấy nông sản năng lượng mặt trời.................................................... 3
Hình 1.4. Thiết bị đun nước nóng dạng dãy ống và dạng tấm phổ biến trên thị trường ........ 41

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chưng cất nước .............................................. 42
Hình 1.6. Hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển lắp tại Bình Đại, Bến Tre (gồm
3 modul, mỗi modul có diện tích đón nắng 4m2)........................................................ 44
Hình 1.7. Sơ đồ bếp mặt trời........................................................................................ 3
Hình 1.8. Cấu tạo của một collecctor ......................................................................... 48
Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo bề mặt hấp thụ...................................................................... 50
Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo của bình nước nóng dạng ống chân không.......................... 50
Hình 1.11. Sơ đồ vòng đối lưu tự nhiên của nước trong bộ thu NLMT ...................... 51
Hình 1.12. Vòng đối lưu tự nhiên trong bộ thu tấm - ống........................................... 51
Hình 1.13. Hệ thống bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu cưỡng bức ................... 52
Hình 1.14. Bộ thu hộp kim loại vừa hấp thụ NLMT vừa là bình chứa (thiết kế của
Trung tâm Năng lượng mới, ĐHBKHN) ................................................................... 53
Hình 1.15. Bộ thu kiểu tấm - ống (Hệ ĐNNMT 200 lít dùng cho gia đình)................ 54
Hình 1.16. Các bộ thu kiểu cánh - ống ....................................................................... 55
Hình 1.17. Nguyên lý hoạt động bộ thu kiểu ống thuỷ tinh chân không ..................... 56
Hình 1.18. Bộ thu loại ống nhiệt (ảnh trái) và các ống nhiệt (hình phải) .................... 57
Hình 1.19. Cấu tạo tiết diện ngang ống nhiệt (bên trái) và ống nhiệt (bên phải) ......... 58
Hình 1.20. Cấu tạo ống nhiệt thuỷ tinh chân không với ống kim loại chữ U .............. 59
Hình 1.21. Sơ đồ hệ thống bộ thu ĐNNMT cho nhiệt độ thấp lắp cố định trên mái nhà....... 60
Hình 1.22. Các bộ thu hội tụ máng và gương parabol ................................................ 60
Hình 1.23. Sự biến đổi của cường độ bức xạ mặt trời theo thời gian trong ngày ........ 64
Hình 2.1. Thiết bị ĐNNMT được lắp đặt tại hiện trường ........................................... 76
Hình 2.2. Cấu tạo bên ngoài và các cổng tín hiệu của bộ thu thập số liệu tự động...... 79
Hình 2.3. Cấu tạo bên trong, bo mạch chính và nguồn nuôi của bộ thu thập số liệu tự
động .......................................................................................................................... 79
Hình 2.4. Hệ đo và thu thập số liệu sau khi lắp đặt .................................................... 80

HV: Nguyễn Đình Đáp

7

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Hình 2.5. Giao diện kết nối với máy vi tính của SWH Data logger ............................ 81
Hình 2.6. Kết quả đo được lưu lại dưới dạng file excel .............................................. 81
Hình 3.1. Biểu đồ tỷ lệ tham gia lắp đặt và sử dụng thiết bị ĐNNMT của các
quận/huyện ................................................................................................................ 90
Hình 3.2. Biểu đồ tăng trưởng hàng năm của thiết bị ĐNNMT (từ 2008 - 2010)........ 91
Hình 3.3. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) nhà Cô Yến ....................... 94
Hình 3.4. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) nhà Ông Thịnh .................. 95
Hình 3.5. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) nhà Ông Hội...................... 95
Hình 3.6. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) Nhà Ông Lam.................... 96
Hình 3.7. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) Trung tâm Năng lượng mới ...... 97
Hình 3.8. EVN triển khai chương trình quảng bá sử dụng bình nước nóng năng lượng
mặt trời.................................................................................................................... 107

HV: Nguyễn Đình Đáp

8

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

MỞ ĐẦU
Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ
rất sớm. Sử dụng NLMT hiện đang được cho là giải pháp tối ưu nhất trong khi các
nguồn nguyên nhiên liệu hóa thạch đang dầu bị cạn kiệt. Đây là nguồn năng lượng
sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao.
Bước vào thế kỷ 21, công nghệ sử dụng NLMT đang có xu hướng phát triển
mạnh. Hiện nay, nhiều nước đã đầu tư rất lớn vào ngành công nghiệp NLMT, Nhật
Bản và Đức là hai quốc gia đứng đầu thế giới về ngành công nghiệp này. Ứng dụng
đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng.
Các hệ thống đun nước nóng bằng NLMT đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên
thế giới. Đến nay, Trung Quốc đã lắp đặt nhiều hệ thống ĐNNMT, tương đương với
10,5GWth và đang là quốc gia dẫn đầu thế giới, chiến 60% tổng công suất lắp đặt của
toàn thế giới.
Các chương trình thúc đẩy sử dụng NLMT đang được mở rộng trên thế giới. Tây
Ban Nha đã ban hành Luật Xây dựng có hiệu lực từ năm 2006, bắt buộc các tòa nhà
mới xây phải lắp đặt trên mái nhà hệ thống pin mặt trời, hệ thống đun nước nóng bằng
năng lượng mặt trời (ĐNNMT), đặc biệt các Trung tâm thương mại, cao ốc văn phòng,
khác sạn, bệnh viện, kho vận, trong đó quy định nước nóng từ NLMT phải đáp ứng
được từ 30 - 70% nhu cầu tùy thuộc vào vùng khí hậu cụ thể. Ở Cape Town (Nam
Phi), Rome (Italia) đòi hỏi các tòa nhà xây dựng mới phải lắp đặt hệ thống ĐNNMT
nhằm đảm bảo 30 - 50% nhu cầu sử dụng hàng ngày…
Việt Nam đã xây dựng trên 100 trạm quan trắc để theo dõi các dữ liệu về NLMT
trên khắp lãnh thổ Việt Nam. Những số liệu quan trắc của các trạm cho thấy, năng
lượng bức xạ trung bình trên cả nước mỗi ngày từ 4 - 6kWh/m2. Tiềm năng sử dụng
NLMT ở hầu khắp mọi vùng trong cả nước.
Đối với mỗi hộ gia đình riêng việc đun nước nóng cho sinh hoạt bình quân sinh
ra khoảng 30% tổng lượng khí thải CO2 của cả hộ gia đình tạo ra. Thông qua lắp đặt

HV: Nguyễn Đình Đáp

9

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

thiết bị ĐNNMT, thiết bị có khả năng cung cấp khoảng 80% nhu cầu năng lượng cần
thiết của chúng ta để đun nước nóng. Theo ước tính, cả nước hiện có khoảng 2,5 triệu
bình đun nước nóng bằng điện có công suất trong khoảng 2 - 5kW, hàng năm tiêu tốn
khoảng 3,6 tỷ kWh điện năng và sẽ tăng nhanh theo tốc độ xây dựng nhà ở, dịch vụ và
du lịch. Đây là một con số rất lớn cho thấy một thị trường đầy tiềm năng đối với thiết
bị bình ĐNNMT.
Việt Nam có nhiều lợi thế phát triển hệ thống sử dụng NLMT. Trong đó, hiệu
quả nhất là sử dụng NLMT vào đun nước nóng, đặc biệt ở khu vực thành thị, nơi
người dân có đời sống cao và có điều kiện sử dụng dịch vụ. Cho đến nay mặc dù
khẳng định rằng sử dụng NLMT thay cho việc sử dụng điện để đun nước nóng (chủ
yếu cho sinh hoạt gia đình) là tiết kiệm điện năng và do đó đem lại các lợi ích về kinh
tế và môi trường, tuy nhiên vẫn chưa có một công trình thực nghiệm nào (ít nhất là ở
Việt Nam) đo đạc, đánh giá hiệu quả thực tế của các lợi ích đó. Các số liệu về tiết kiệm
năng lượng, kinh tế của thiết bị ĐNNMT đã cho trên các tài liệu, tạp chí, trên các
phương tiện truyền thông… đều chỉ là các con số ước tính “lý thuyết”, độ tin cậy
không cao.
Việc phát triển hệ thống ĐNNMT đang gặp một số thách thức khó khăn như:
chưa có chiến lược, chính sách về tiết kiệm năng lượng; sự hỗ trợ của Nhà nước về
đầu tư nghiên cứu và phát triển cũng như đầu tư về kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho

sản xuất, ứng dụng thiết bị ĐNNMT còn hạn chế; những điều kiện triển khai sử dụng
thiết bị cho từng khu vực cụ thể; sự không đồng bộ giữa thiết kế bình ĐNNMT và các
công trình xây dựng; giá thành của thiết bị ĐNNMT còn cao hơn so với sử dụng thiết
bị truyền thống; cách lắp đặt, vận hành thiết bị chưa được phổ biến rộng rãi đến người
tiêu dùng…
Do vậy, cần có những nghiên cứu chi tiết, cụ thể về hiện trạng sử dụng, những
điều kiện áp dụng, triển khai, phát triển sử dụng các thiết bị ĐNNMT. Tính toán, đánh
giá, phân tích hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và môi trường làm cơ sở cho việc phát triển thị
trường và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị ĐNNMT.

HV: Nguyễn Đình Đáp

10

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Xuất phát từ những thực tiễn nêu trên, với sự hỗ trợ của Văn phòng tiết kiệm
năng lượng (Bộ Công Thương) và Trung tâm nghiên cứu năng lượng mới (Đại học
Bách khoa Hà Nội), trong khuôn khổ một luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường, tác
giả tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng
năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt” được đặt ra với mục đích tìm hiểu những
điều kiện cơ bản để triển khai, lắp đặt thiết bị nước nóng mặt trời, tính toán hiệu quả
về mặt tiết kiệm điện năng, kinh tế và môi trường của việc sử dụng thiết bị nước nóng
mặt trời dựa trên cơ sở khoa học và thực nghiệm. Từ đó, kiến nghị các giải pháp phát
triển sử dụng các thiết bị đun nước nóng mặt trời ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói

chung.
Các nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu những đặc điểm kỹ thuật của thiết bị ĐNNMT, những yếu tố ảnh
hưởng đến hiệu suất của thiết bị
- Nghiên cứu, đánh giá các tiềm năng, đặc thù của Hà Nội trong sử dụng thiết bị
ĐNNMT
- Điều tra, đánh giá hiện trạng sử dụng thiết bị ĐNNMT tại Hà Nội.
- Tiến hành thực nghiệm lắp đặt 05 hệ thống ĐNNMT có các bộ đo ghi tự động;
đo đạc, thu thập, xử lý số liệu và đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng, hiệu quả kinh
tế và môi trường của của các hệ thống.
- Đề xuất một số giải pháp phát triển sử dụng thiết bị ĐNNMT phục vụ sinh hoạt.
Việc thực hiện đề tài nhằm giải đáp các câu hỏi nêu trên với những phân tích đầy
đủ bài toán kinh tế môi trường của việc sử dụng thiết bị ĐNNMT cho người dân thành
phố Hà Nội.
Hiện nay, các giải pháp công nghệ thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng
lượng đang được quan tâm, đầu tư nghiên cứu. Trong đó, sử dụng các nguồn năng
lượng tái tạo là giải pháp cứu cánh cho thách thức khủng hoảng năng lượng và biến
đổi khí hậu toàn cầu, là một mũi tên nhằm tới hai mục tiêu của sự phát triển bền vững.

HV: Nguyễn Đình Đáp

11

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Sử dụng năng lượng tái tạo là xu hướng được chọn lựa chọn để phát triển nguồn năng
lượng mới cho thế kỷ 21.

HV: Nguyễn Đình Đáp

12

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
CÁC CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Bức xạ mặt trời
Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,36 triệu km
và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km. Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của
mặt trời vào khoảng 6.000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất
lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K. Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt
hạch hoạt động liên tục. Do luôn luôn bức xạ năng lượng vào trong vũ trụ nên khối
lượng của mặt trời sẽ giảm dần. Điều này dẫn đến kết quả là đến một ngày nào đó mặt
trời sẽ thôi không tồn tại nữa. Tuy nhiên, do khối lượng của mặt trời vô cùng lớn, vào
khoảng 1,991.1030kg, nên thời gian để mặt trời còn tồn tại cũng vô cùng lớn. Bên cạnh
sự biến đổi nhiệt độ rất đáng kể theo hướng kính, một điểm đặc biệt khác của mặt trời
là sự phân bố khối lượng rất không đồng đều. Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm
mặt trời vào khoảng 100g/cm3, trong khi đó khối lượng riêng trung bình của mặt trời
chỉ vào khoảng 1,41g/cm3 [1].

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất không
hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung bình đã
trình bày ở trên. Trong kỹ thuật NLMT, người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt
trời (Solar Constant). Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời được hiểu là lượng bức xạ
mặt trời (BXMT) nhận được trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển
và thẳng góc với tia tới. Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị
cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều.
Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2[1].
Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến
trên mặt đất. Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu được dùng để
biểu diễn giá trị của lượng bức xạ khảo sát là G, I và H. Đơn vị của G là W/m2, đơn vị

HV: Nguyễn Đình Đáp

13

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

của I và H là J/m2, trong đó thời gian tương ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ
và ngày. Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hiểu là khoảng thời gian từ lúc
mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn.
1.1.1.1. Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển
Nói chung, BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển (Extra Terrestrial Solar
Radiation) có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát cụ thể và có phương rất rõ
ràng, đó là đường nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát. Các khảo sát thực tế cho thấy - về

mặt giá trị - BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển cũng có những biến đổi nhẹ. Có 2 lý
do gây ra sự biến đổi này: sự biến đổi lượng bức xạ xuất phát từ mặt trời do các hiện
tượng diễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biến đổi của khoảng cách từ mặt trời đến Trái
đất. Các nghiên cứu cho thấy, lý do thứ nhất chỉ gây ảnh hưởng tối đa không quá
±1,5% , còn lý do thứ hai có thể gây ảnh hưởng đến ±3%. Tuy vậy, do nhiều nguyên
nhân khác nhau, đặc biệt là do sự khó khăn và phức tạp của hiện tượng, các kết quả
nghiên cứu về mức độ gây ảnh hưởng của lý do thứ nhất không hoàn toàn giống nhau.
Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cường độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn
định và BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển là BXMT đến trên mặt đất nhưng không
tính đến ảnh hưởng của bầu khí quyển. Gọi Gon là lượng BXMT đến một mặt phẳng có
diện tích 1m2 đặt thẳng góc với tia bức xạ và ở bên ngoài bầu khí quyển, ta có:
Gon = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)]

(1)

trong đó:
GSC - hằng số mặt trời, W/m2
n - số thứ tự của ngày trong năm (quy ước lấy giá trị n của ngày 1 tháng1 là 1).
Nếu bề mặt khảo sát nằm ngang, giá trị G0 biểu diễn lượng BXMT đến mặt
phẳng có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển có giá trị là:
Go = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].CosθZ

(2)

Trong đó, θ là góc tới của tia trực xạ (là góc hợp bởi tia trực xạ và pháp tuyến
của bề mặt khảo sát); θz là góc tới đối với các bề mặt ngang

HV: Nguyễn Đình Đáp

14

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Gọi Ho (J/m2) là lượng BXMT đến mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m2 đặt
bên ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày, ta viết được:
Ho = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].∫(Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dt
Trong đó
δ: Góc lệnh của mặt trời (góc tạo bởi tia trực xạ và mặt phẳng xích đạo của Trái
đất;
φ: Góc phương vị của bề mặt khảo sát (là góc tạo bởi hình chiếu lên mặt phẳng
nằm ngang của pháp tuyến của bề mặt khảo sát và phương nam)
ω: Góc giờ của mặt trời (là góc tạo bởi tia trực xạ và đường nối khải sát với vị trí
cao nhất của mặt trời trong ngày)
Khi đặt dt = a.dω, ta có:
Ho = a.GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].∫(Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dω
Trong các biểu thức trên, t có đơn vị là giây, ω có đơn vị là độ và biến đổi trong
khoảng từ -ωS cho đến +ωS (trong đó ω mang dấu âm nếu trước giờ trưa và mang dấu
dương nếu sau giờ trưa), tức là từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn. Sau khi
lấy tích phân, thu được: Ho = 2a.A.B

(3)

trong đó:
a = 3600.(180/15/π), với a là góc cao của mặt trời
A = GSC.[1 + 0,033.Cos(360.n/365)]

B = Sinδ.Sinφ.ωS.(π/180) + Cosδ.Cosφ.SinωS
Bên cạnh giá trị Ho, trong các tính toán về BXMT người ta cũng rất quan tâm đến
giá trị Hom (trong đó Hom là lượng BXMT đến trên mặt phẳng nằm ngang có diện tích
1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày nhưng là ngày điển hình của
tháng khảo sát). Theo định nghĩa, ngày điển hình của một tháng nào đó là ngày mà Ho
có giá trị gần nhất so với giá trị bức xạ trung bình của tháng đó. Bảng 1.1 dưới đây

HV: Nguyễn Đình Đáp

15

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

trình bày cụ thể ngày điển hình của mỗi tháng (do Klein đề nghị) và các giá trị δ, n
tương ứng.
Bảng 1.1. Các giá trị δ, n tương ứng theo ngày
Tháng

Ngày điển hình

δ, độ

N

1

17

-20,9

17

2

16

-13

47

3

16

-2,4

75

4

15

9,4

105

5

15

18,8

135

6

11

23,1

162

7

17

21,2

198

8

16

13,5

228

9

15

2,2

258

10

15

-9,6

288

11

14

-18,9

318

12

10

-23

344
Nguồn: [1]

Tương tự như cách tính H0, có thể sử dụng các công thức đã trình bày ở trên để
xác định lượng BXMT đến một mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m2 đặt bên ngoài
bầu khí quyển trong thời gian 1giờ (ký hiệu là Io). Thay cận dưới và cận trên của dấu
tích phân bằng ω1 và ω2 (thay vì -ωS và +ωS) sao cho ω2 - ω1 = 1 giờ. Tổng quát hơn,

HV: Nguyễn Đình Đáp

16

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

khi cần xác định lượng BXMT trong một khoảng thời gian bất kỳ, có thể thay đổi các
cận của dấu tích phân sao cho hiệu số ω2 - ω1 đúng bằng khoảng thời gian khảo sát.
Các tia BXMT về nguyên tắc có bước sóng λ gần như là từ 0 cho đến ∞. Tuy
nhiên, do cường độ các tia BXMT phân bố rất không đồng đều theo bước sóng và do
phần lớn các tia BXMT tập trung trong vùng có bước sóng ngắn, cho nên thực tế chỉ
quan tâm đến các tia bức xạ có bước sóng λ trong khoảng từ 0,24µm đến 50µm.
Cường độ của các tia bức xạ có bước sóng λ < 0,24µm và λ > 50µm thật sự không
đáng kể [1].

Quang phổ của BXMT được trình bày trên hình 1.1; Số liệu về sự phân bố
BXMT theo bước sóng được đưa ra trong bảng 1.2, trong đó:
Gsc,λ - cường độ bức xạ đơn sắc, W/m2
f0-λ - tỉ số giữa lượng bức xạ ứng với bước sóng trong khoảng từ 0 đến λ và hằng
số mặt trời.
Bảng 1.2. Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng
GSC,λ

λ, µm

GSC,λλ

f0-λλ

λ, µm

GSC,λλ

f0-λλ

λ, µm

0,24

63,0

0,0014

0,47

2033

0,1817

1,0

748

0,6949

0,25

70,9

0,0019

0,48

2074

0,1968

1,2

485

0,7840

0,26

130

0,0027

0,49

1950

0,2115

1,4

337

0,8433

0,27

232

0,0041

0,50

1942

0,2260

1,6

245

0,8861

0,28

222

0,0056

0,51

1882

0,2401

1,8

159

0,9159

0,29

482

0,0081

0,52

1833

0,2538

2,0

103

0,9349

0,30

514

0,0121

0,53

1842

0,2674

2,2

79

0,9483

0,31

689

0,0166

0,54

1783

0,2808

2,4

62

0,9586

HV: Nguyễn Đình Đáp

17

f0-λλ

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

0,32

830

0,0222

0,55

1725

0,2938

2,6

48

0,9667

0,33

1059

0,0293

0,56

1695

0,3065

2,8

39

0,9731

0,34

1074

0,0372

0,57

1712

0,3191

3,0

31

0,9783

0,35

1093

0,0452

0,58

1715

0,3318

3,2

22,6

0,9822

0.36

1068

0,0532

0,59

1700

0,3444

3,4

16,6

0,9850

0,37

1181

0,0615

0,60

1666

0,3568

3,6

13,5

0,9872

0,38

1120

0,0700

0,62

1602

0,3810

3,8

11,1

0,9891

0,39

1098

0,0782

0,64

1544

0,4042

4,0

9,5

0,9906

0,40

1429

0,0873

0,66

1486

0,4266

4,5

5,9

0,9934

0,41

1751

0,0992

0,68

1427

0,4481

5,0

3,8

0,9951

0,42

1747

0,1122

0,70

1369

0,4688

6,0

1,8

0,9972

0,43

1639

0,1247

0,72

1314

0,4886

7,0

1,0

0,9982

0,44

1810

0,1373

0,75

1235

0,5169

8,0

0,59

0,9988

0,45

2006

0,1514

0,80

1109

0,5602

10,0

0,24

0,9994

0,46

2066

0,1665

0,90

891

0,6337

50,0

3,9.10-

1,0000

4

Nguồn: [1]

HV: Nguyễn Đình Đáp

18

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Cường độ bức xạ đơn sắc, W/m2
2

2400
2000
1600
1200
800
400
0
0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

Bước sóng

2,4

2,6

, µ m [1]
λNguồn:

Hình 1.1. Quang phổ của bức xạ mặt trời
1.1.1.2. Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất
Khi các tia BXMT đi vào bầu khí quyển, do ảnh hưởng của bầu khí quyển và các
vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia BXMT sẽ phải chịu hiện tượng hấp
thụ và phản xạ. Về cơ bản, hiện tượng hấp thụ các tia BXMT là do ôzôn và hơi nước,

mức độ hấp thụ khác nhau tùy theo bước sóng. Ứng với các tia cực tím có bước sóng
nhỏ hơn 0,29µm thì khả năng hấp thụ các tia bức xạ của ôzôn rất mạnh, ứng với các tia
có bước sóng lớn hơn 0,29µm thì khả năng hấp thụ của ôzôn giảm xuống đáng kể, khi
bước sóng vượt quá 0,35µm thì ôzôn không còn khả năng hấp thụ các tia bức xạ được
nữa (tuy nhiên, ở vùng lân cận bước sóng 0,6µm thì ôzôn vẫn còn khả năng hấp thụ
một ít). Trong khi đó, hơi nước có khả năng hấp thụ mạnh các tia hồng ngoại. Đặc
biệt, ở trong vùng lân cận các bước sóng 1µm, 1,4µm và 1,8µm thì khả năng hấp thụ
các tia hồng ngoại của hơi nước rất mạnh. Chính hiện tượng hấp thụ làm giảm cường
độ của các tia bức xạ và làm cho quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại,
có thể nói các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 2,3µm rất khó đến được bề mặt Trái đất
(trong vùng này, các tia hồng ngoại không chỉ bị hấp thụ bởi hơi nước mà còn bởi khí
CO2) . Cùng với hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phản xạ làm một bộ phận của tia bức
xạ bị đổi phương, do đó phương của thành phần bị phản xạ không rõ ràng. Kết quả của

HV: Nguyễn Đình Đáp

19

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

các hiện tượng vừa nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cường độ của các tia bức xạ
tổng càng giảm. Một cách tổng quát, người ta xem lượng bức xạ tổng đi vào bầu khí
quyển (Terrestrial Solar Radiation hay Total Solar Radiation) để đến một bề mặt khảo
sát nào đó trên mặt đất bao gồm hai thành phần là trực xạ (Beam Radiation) và khuếch
tán (Diffuse Radiation). Thành phần trực xạ có phương rõ ràng, đó là đường thẳng nối

từ mặt trời đến địa điểm khảo sát. Trong khi đó, đối với thành phần khuếch tán, việc
xác định phương hướng và cường độ của thành phần khuếch tán là khá phức tạp.
Các khảo sát cho thấy, vào những ngày bầu trời trong sáng, do sự hấp thụ bởi các
phân tử ôxy và ôzôn có trong bầu khí quyển ở tầm cao, bước sóng nhỏ nhất của các tia
bức xạ đến bề mặt Trái đất chỉ vào khoảng 0,29µm. Sự suy giảm cường độ các tia bức
xạ mặt trời đến bề mặt Trái đất trong trường hợp này là do ba nguyên nhân sau đây:
- Sự hấp thụ có tính chọn lọc theo bước sóng bởi hơi nước, các phân tử ôxy, ôzôn
và CO2.
- Sự phân tán Rayleigh bởi các phân tử của các loại chất khí và các hạt bụi lơ
lửng có trong bầu khí quyển (kích thước của các thành phần này rất nhỏ so với bước
sóng của các tia bức xạ), kết quả của sự phân tán này là có khoảng phân nửa các tia
bức xạ bị phân tán quay trở lại không gian, khoảng phân nửa còn lại đến bề mặt đất
theo rất nhiều phương khác nhau.
- Sự phân tán Mie (trong trường hợp này kích thước của các thành phần làm phân
tán các tia bức xạ lớn hơn bước sóng của tia bức xạ) làm một phần các tia bức xạ bị
đổi hướng và một phần khác bị chính các thành phần này hấp thụ.
Vào những ngày có mây mù, cường độ của các tia trực xạ bị giảm đi đáng kể.
Các quan sát thực tế cho thấy, một bộ phận các tia bức xạ sẽ bị phản xạ ngược vào
không gian do các đám mây mù, một bộ phận khác bị các đám mây mù hấp thụ và bộ
phận còn lại sẽ đi đến mặt đất với tính chất của các tia khuếch tán.
Ta gọi tỉ lệ giữa tổng các tia bức xạ bị phản xạ ngược trở lại không gian do nhiều
nguyên nhân khác nhau (do mây mù, do mặt đất, do bụi và các chất khí có trong bầu

HV: Nguyễn Đình Đáp

20

K16 Khoa học môi trường

Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

khí quyển) và tổng các tia bức xạ đến toàn bộ Trái đất là Albedo của hệ thống khí
quyển - mặt đất, giá trị của Albedo vào khoảng 30%.
Để đơn giản hóa việc xác định các đại lượng đặc trưng của thành phần khuếch
tán, Hottel và Woertz giả sử thành phần khuếch tán phân bố đồng đều trong khắp bầu
trời. Giả thiết này hầu như chỉ phù hợp trong trường hợp bầu trời có sương mù, hoặc bị
che phủ bởi mây phân bố đều trong bầu trời. Vào những ngày trời trong (Clear Sky),
hầu hết những tia bức xạ khuếch tán có phương gần giống với phương của tia trực xạ.
a) Xác định cường độ bức xạ tổng đến bề mặt nghiêng
Gọi:
G, GT - cường độ bức xạ tổng đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng
đang khảo sát.
Gb, GbT - cường độ tia trực xạ đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng
đang khảo sát.
Gd, GdT - cường độ thành phần khuếch tán đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề
mặt nghiêng đang khảo sát.
Ta có:
G = Gb + Gd

(4)

GT = GbT + GdT

(5)

R = GT/G

(6)

Rb = GbT/Gb

(7)

Rd = GdT/Gd

(8)

Đặt:

Ta suy được:
R = Rb.(Gb/G) + Rd.(Gd/G)

(9)

Trong biểu thức (24), Rb có thể được tính như sau:

HV: Nguyễn Đình Đáp

21

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Rb = GbT/Gb = Cosθ/CosθZ

(10)

Bên cạnh thành phần khuếch tán do bầu trời, còn có thành phần phản xạ do bề
mặt đất, thành phần này có giá trị khá đáng kể ở những nơi bề mặt đất bị tuyết phủ.
Liu và Jordan xem thành phần này như lượng bức xạ tổng đi đến một bề mặt nghiêng
bất kỳ bao gồm ba thành phần là thành phần trực xạ, thành phần khuếch tán bầu trời và
thành phần phản xạ từ mặt đất.
Gọi β là góc nghiêng của bề mặt nghiêng đang khảo sát, giá trị (1+Cosβ)/2 được
hiểu là hệ số nhìn bầu trời (View Factor to the Sky) và giá trị (1-Cosβ)/2 được hiểu là
hệ số nhìn mặt đất (View Factor to the Ground) của bề mặt nghiêng này. ta có:
GT = GbRb + Gd.(1+Cosβ)/2 + (Gd + Gb).ρ.(1-Cosβ)/2

(11)

Trong đó ρ là hệ số phản xạ của mặt đất, Liu và Jordan đề nghị lấy ρ = 0,2 đối
với bề mặt đất không có tuyết phủ và lấy ρ = 0,7 đối với bề mặt đất có tuyết phủ. Kết
hợp các biểu thức (4), (6) và (11), ta có:
R = (Gb/G).Rb + (Gd/G).(1+Cosβ)/2 + ρ.(1-Cosβ)/2

(12)

b) Lượng hóa mức độ trong sáng của bầu trời
Theo những giả thiết đã nêu về sự phân bố và hướng của tia khuếch tán, vào
những ngày bầu trời trong sáng ta xem như R = Rb, còn vào những ngày bầu trời bị
mây và sương mù ta xem như Rd = 1. Rõ ràng, mức độ khuếch tán và hấp thụ các tia
bức xạ mặt trời thay đổi theo thời gian do trạng thái và đặc điểm của bầu khí quyển
không hoàn toàn ổn định. Chính vì vậy ta cần phải chuẩn hóa khái niệm trong sáng của
bầu trời. Gọi τb là hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ, ta có:

τb = Gb/Go = ao + a1.e(-k/Cosθz)

(13)

Các nhà nghiên cứu đã đề xuất cách xác định ao, a1 và k ứng với bầu trời đạt độ
trong sáng tiêu chuẩn có tầm nhìn xa 23km như sau:
a0S = 0,4237 – 0,00821.(6 – A)2

(14)

a1S = 0,5055 + 0,00595.(6,5 – A)2

(15)

HV: Nguyễn Đình Đáp

22

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

kS = 0,2711 + 0,01858.(2,5 – A)2

(16)

trong đó:

A - độ cao của người quan sát, km;
Gb - thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong sáng tiêu chuẩn đến
1m2 bề mặt nằm ngang.
Công thức (13) sử dụng được cho bất kỳ giá trị nào của θZ ứng với độ cao khảo
sát nhỏ hơn 2,5km. Nếu vị trí khảo sát thuộc vùng nhiệt đới thì nên nhân thêm hệ số
hiệu chỉnh, cụ thể:
ao = 0,95.aOS

(17)

a1 = 0,98.a1S

(18)

k = 1,02.kS

(19)

Bên cạnh việc xác định thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong
sáng tiêu chuẩn, cần phải xác định cả thành phần khuếch tán tương ứng để có thể tính
được giá trị bức xạ tổng. Gọi Gd là thành phần tia khuếch tán xuyên qua bầu trời có độ
trong sáng tiêu chuẩn đến 1m2 bề mặt nằm ngang, Liu và Jordan đã đề nghị cách xác
định hệ số xuyên qua bầu khí quyển τd của các tia khuếch tán ứng với bầu trời có độ
trong sáng tiêu chuẩn như sau:
τd = Gd/Go = 0,271 – 0,2939.τb

(20)

Trong đó, τb là hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ (trong công
thức 13)

Tuy nhiên, việc sử dụng các hệ số đã nêu không có tính thực tế cao do độ trong
sáng của bầu trời rất khác nhau tùy theo địa điểm và thời điểm khảo sát, do vậy
phương pháp đã nêu chỉ có giá trị tham khảo.
Cần phải xác định rõ, việc xác định cường độ bức xạ mặt trời đến trên mặt đất là
bài toán không hề đơn giản. Nói chung, tùy vào từng trường hợp cụ thể mà người ta có
thể tìm kiếm phương pháp thích hợp. Thông thường, trong các thí nghiệm khoa học
người ta thường phải trực tiếp đo cường độ bức xạ mặt trời, còn trong các nghiên cứu

HV: Nguyễn Đình Đáp

23

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

đánh giá tiềm năng người ta thường phải xây dựng phương pháp mô phỏng dựa trên
các cơ sở dữ liệu đã có.
1.1.2. Nguồn gốc năng lượng mặt trời
NLMT có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát triển của các yến
tố sự sống trên trái đất.
Trước hết, NLMT là nguồn năng lượng khổng lồ có tính tái sinh. NLMT được
sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để tạo
ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên mặt trời . Công suất bức xạ của mặt trời
là 3,865.1026W, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu
chuẩn. Nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.1016J/s hay tương ứng với
năng lượng đốt cháy hết 6.106 tấn than đá.

Ngoài khí quyển trái đất (hay còn gọi là ngoài vũ trụ) mật độ NLMT là
1.353W/m2. Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quyển trái đất
(chiều dày khoảng 16km) nên bị mất mát khoảng 30% do các hiện tượng hấp thụ, tán
xạ bởi các phân tử khí, hơi nước... của lớp khí quyển. Vì vật trên bề mặt trái đất, mật
độ bức xạ mặt trời chỉ còn khoảng 1.000W/m2. Mặc dù ở các vĩ độ khác nhau thì
NLMT khác nhau, nhưng nhìn chung NLMT phân bố khắp trên bề mặt trái đất. Ở đâu
cũng có thể khai thác và ứng dụng nguồn năng lượng này.
Bản chất của BXMT là sóng điện từ có phổ bước sóng trải từ 10-10µm đến
1014µm, trong đó mắt người có thể nhận biết được giải sóng có bước sóng từ 0,4 đến
0,7µm và được gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến). Vùng bức xạ điện từ có
bước sóng nhỏ hơn 0,4µm được gọi là vùng sóng tử ngoại. Còn vùng có bước sóng lớn
hơn 0,7µm được gọi là vùng hồng ngoại. Do bản chất của sóng điện từ nên NLMT là
nguồn năng lượng không có phát thải, không gây ô nhiễm môi trường hay được gọi là
nguồn năng lượng sạch.
Các thành phần của BXMT trên mặt đất:

HV: Nguyễn Đình Đáp

24

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Ngoài lớp khí quyển trái đất bức xạ mặt trời chỉ có một thành phần. Đó là các tia
mặt trời đi thẳng phát ra từ mặt trời. Nhưng khi tới mặt đất, do các hiện tượng tán xạ
trong lớp khí quyển quả đất, bức xạ mặt trời bị biến đổi và gồm 3 thành phần:

(1)- Thành phần trực xạ gồm các tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất.
Nhờ các tia trực xạ này mà ta có thể nhìn thấy mặt trời;
(2)- Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất từ mọi phương
trên bầu trời do hiện tường tán xạ của tia mặt trời trên các phân tử khí, hơi nước, các
hạt bụi,…. Nhờ các tia tán xạ này mà chúng ta vẫn có ánh sáng ngay cả những ngày
mây mù, không thể nhìn thấy mặt trời, ở trong nhà, dưới bóng cây,…;
Tổng hai thành phần trên được gọi là tổng xạ của bức xạ mặt trời ở mặt đất. Các
Trạm Khí tượng thường đo các thành phần này nhiều lần trong một ngày và liên tục
trong nhiều năm để có số liệu đánh giá tiềm năng NLMT.
Tỷ lệ của các thành phần trực xạ và tán xạ trong tổng xạ phụ thuộc vào điều kiện
tự nhiên và trạng thái thời tiết của địa điểm và thời điểm quan sát hay đo đạc. Ví dụ ở
nước ta, trong các tháng mùa Hè, từ tháng 5 đến tháng 8, thì thành phần trực xạ chiếm
ưu thế (trên 50%), còn trong mùa Đông, từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau thành phần
tán xạ lại chiếm ưu thế.
(3)- Thành phần phản xạ từ mặt nền ở nơi quan sát hay nơi đặt bộ thu NLMT, nó
phụ thuộc vào hệ số phản xạ của mặt nền và tổng xạ tới. Thành phần này chỉ được
phân biệt khi thiết kế, tính toán các bộ thu NLMT. Trong trường hợp chung nó là một
phần rất nhỏ trong thành phần bức xạ tán xạ.
1.2. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI
1.2.1. Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời
NLMT trung bình trên bề mặt quả đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay
từ 3,5 đến 7,0kWh/m2 ngày.

HV: Nguyễn Đình Đáp

25

K16 Khoa học môi trường

Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

NLMT từ lâu đã được con người khai thác sử dụng bằng các phương pháp tự
nhiên, trực tiếp và đơn giản như phơi sấy (quần áo, vật dụng; nông, lâm, hải sản; sưởi
ấm…). Tuy nhiên cách sử dụng NLMT theo các phương cách tự nhiên nói trên có hiệu
quả thấp và hoàn toàn thụ động
NLMT có thể sử dụng dưới dạng nhiệt hay biến đổi thành điện. Điện từ mặt trời
là dạng điện năng được tạo ra khi biến đổi NLMT thành điện năng nhờ hiệu ứng quang
điện (photovoltaic effect, viết tắt PV) một cách trực tiếp, hoặc nhờ các hệ thống nhiệt
điện thông qua hiệu ứng hội tụ tia mặt trời (concentrated solar power, CSP) một cách
gián tiếp. Các hệ thống CSP sử dụng các thấu kính hay các gương hội tụ và hệ thống
“dõi theo mặt trời” (solar tracking systems) để hội tụ một diện tích lớn các tia mặt trời
vào một diện tích nhỏ hơn (gọi là điểm hay đường hội tụ). Nguồn nhiệt hội tụ này sau
đó được sử dụng để phát điện. Các hệ thống này gọi là hệ nhiệt điện mặt trời. Còn các
hệ thống PV biến đổi ánh sáng thành điện năng khi dùng hiệu ứng quang điện được
gọi là hệ thống điện PV.
Ứng dụng quan trọng đầu tiên của pin mặt trời là nguồn dự phòng (back-up) cho
về tinh nhân tạo Vanguard I vào năm 1958, nó đã cho phép truyền tín hiệu về quả đất
hơn một năm sau khi nguồn ắc qui điện hóa đã bị kiệt. Sự hoạt động thành công này
của pin mặt trời trên vệ tinh đã được lặp lại trong nhiều về tinh khác của Liên Xô và
Mỹ. Vào cuối những năm 1960, PV đã trở thành nguồn năng lượng được được sử dụng
riêng cho về tinh. PV đã có một vai trò rất quan trọng công nghệ vệ tinh thương mại và
nó vẫn giữ vị trí đó đối với hạ tầng viễn thong ngày nay.
Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ nên hiện nay con người đã biết khai
thác NLMT một cách hiệu quả và chủ động hơn nhờ các công nghệ hiện đại.
Nhà máy nhiệt điện mặt trời thương mại đầu tiên được xây dựng trong những
năm 1980. Nhà máy có công suất lớn nhất là 354MW xây dựng tại Sa mạc Mojave ở

California (Mỹ). Các nhà máy lớn khác như nhà máy Solnova (150MW) và Andasol
(100MW), cả hai đều ở Tây Ban Nha [4].

HV: Nguyễn Đình Đáp

26

K16 Khoa học môi trường


Khoa Môi trường

Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Những phát triển giai đoạn đầu của công nghệ năng lượng mặt trời (CN NLMT)
bắt đầu trong những năm thập niên 1980 đã được kích thích bởi sự kiện rằng than sẽ
không lâu nữa sẽ bị cạn kiệt. Tuy nhiên sự phát triển của CN NLMT sau đó bị chậm
lại vào thời gian đầu của thế kỷ 20 do phải đối mặt với các vấn đề về giá, tính kinh tế
và tính tiện dụng của than và dầu. Năm 1974 người ta đã ước tính rằng chỉ có 6 hộ ở
tất cả khu vực Bắc Mỹ sử dụng hoàn toàn năng lượng cho sưởi ấm và làm lạnh nhờ các
hệ thống thiết bị NLMT. Sự cấm vận dầu năm 1973 và sự khủng hoảng năng lượng
năm 1979 đã làm thay đổi chính sách năng lượng trên phạm vi thế giới và CN NLMT
lại được quan tâm thúc đẩy phát triển. Chiến lược triển khai tập trung vào các chương
trình tăng tốc như Chương trình sử dụng PV Liên Bang ở Mỹ, Chương trình NLMT ở
Nhật. Các cố gắng khác gồm có sự xây dựng các cơ sở nghiên cứu ở Mỹ (SERI, nay là
NREL), Nhật (NEDO), và Đức (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE).
Giữa các năm 1970 và 1983 các lắp đặt PV tăng rất nhanh, nhưng đầu những
năm 1980 do giá dầu giảm nên làm giảm nhịp độ phát triển của PV từ 1984 đến 1996.
Từ 1997, sự phát triển của PV lại được gia tốc do các vấn đề khó khăn về cung cấp
dầu và khí, do sự nóng lên của quả đất, và sự cải thiện của công nghệ sản xuất PV, dẫn

đến tính tính tế của PV trở nên tốt hơn. Sản xuất PV tăng trung bình 40%/năm từ năm
2000 và công suất lắp đặt đã đạt đến 10,6GW vào cuối năm 2007 và 14,73GW vào
năm 2008. Năm 2010 các nhà máy điện PV lớn nhất trên thế giới là Sania Power plant
ở Canada.
1.2.2. Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
Tới nay, rất nhiều quốc gia đã nghiên cứu và đang ứng dụng thành công nguồn
NLMT trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Tại Hoa Kì, các hoạt động quảng bá NLMT
diễn ra rất sôi nổi. Hàng năm, các tiểu bang ở miền đông đều mở hội nghị về năng
lượng xanh với mục đích giới thiệu công nghệ mới về các thiết bị áp dụng NLMT cho
các hộ gia đình và cơ sở kinh doanh nhỏ.
Ở Pháp, từ những năm của thập niên 60 thế kỉ trước, họ đã rất chú trọng tới việc
giải quyết thiếu hụt năng lượng cho quốc gia phát triển. Họ đã thành công trong việc

HV: Nguyễn Đình Đáp

27

K16 Khoa học môi trường