Nghiên cứu, tính toán và đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố về kết cấu và thời tiết đến hiệu suất của bộ thu nhiệt mặt trời kiểu hội tụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN MINH KHANG

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ VỀ KẾT CẤU VÀ THỜI TIẾT ĐẾN
HIỆU SUẤT CỦA BỘ THU NHIỆT MẶT TRỜI KIỂU HỘI TỤ

Chuyên ngành :

VẬT LÝ KỸ THUÂT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Vật lý kỹ thuật

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS ĐẶNG ĐÌNH THỐNG

Hà Nội – Năm2012

1


Mục lục

Trang

Trang phụ bìa

1

Lời cam đoan

5

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt

6

Danh mụ các bảng

9

Danh mục các hình vẽ đồ thị

10

MỞ ĐẦU

13

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. Nguồn năng lượng mặt trời

15

1.1.1. Mặt trời

15

1.1.2. Bản chất nguồn NLMT

16

1.1.3. NLMT ngoài vũ trụ- Hằng số mặt trời

16

1.2. Đặc điểm nguồn NLMT

17

1.2.1. Sự chuyển động của hệ Mặt Trời- trái đất

17

1.2.2. Tính không ổn định của nguồn NLMT

18

1.2.3. Ảnh hưởng của lớp khí quyển

22

1.2.4. Các thành phần BXMT trên mặt đất

23

1.3. Ước tính cường độ bức xạ

24

1.4. Ưu nhược điểm của nguồn NLMT

24

1.4.1. Các ưu việt của nguồn NLMT

25

1.4.2. Các khó khăn trong khai thác, ứng dụng NLMT

26

CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI
2.1. Tổng quan về công nghệ năng lượng mặt trời

27

2.2. Công nghệ nhiệt mặt trời áp dụng hiệu ứng nhà kính

27

2.2.1. Hiệu ứng nhà kính

27

2.2.2. Công nghệ nhiệt mặt trời áp dụng hiệu ứng nhà kính

28

2


2.2.2.1. Hệ thống sấy khô

28

2.2.2.2. Hệ thống đun nước nóng

29

2.2.2.3. Hệ thống chưng cất nước

32

2.2.2.4 . Bếp mặt trời ứng dụng hiệu ứng nhà kính

35

2.3. Công nghệ nhiệt tập trung NLMT

36

2.3.1. Hiệu ứng hội tụ

36

2.3.1.1. Hiệu ứng phản xạ và hội tụ ánh sáng

36

2.3.1.2. Gương phản xạ

37

2.3.2. Công nghệ nhiệt điện tập trung NLMT
2.3.2.1. Công nghệ nhiệt điện mặt trời tháp năng lượng

38
39

2.3.2.2. Công nghệ nhiệt điện mặt trời phản xạ Fresnell tuyến tính 41
tập trung
2.3.2.3. Công nghệ nhiệt điện mặt trời máng parabôn

43

2.3.2.4. Công nghệ đĩa parabôn

46

2.3.2.5. Đánh giá tình hình phát triển của công nghệ nhiệt điện

48

mặt trời tập trung
2.3.3. Giới hạn nghiên cứu

50

CHƯƠNG 3. BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
TẬP TRUNG KIỂU MÁNG PARABÔN
3.1. Máng hội tụ parabôn : cấu tạo và hoạt động

51

3.2. Định hướng bộ thu và hiệu chỉnh góc tới

54

3.2.1. Định hướng bộ thu

54

3.2.2. Hiệu chỉnh góc tới

56

3.3. Tính hiệu suất bộ thu

57

3.3.1. Các quá trình nhiệt xảy ra tại ống hấp thụ

57

3.3.2. Hiệu suất bộ thu

58

3


3.3.2.1. Tính hiệu suất quang

59

3.3.2.2. Tính hiêụ suất nhiệt

60

3.3.3. Đánh giá hiệu suât

66

CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT VÀ CÁC
THÔNG SỐ BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU HỘI TỤ
MÁNG PARABÔN
4.1. Các giới hạn

67

4.2. Lập chương trình tính toán

67

4.2.1. Thuật toán

67

4.2.2. Lưu đồ thuật toán

69

4.2.3. Chương trình lập trình

78

4.3. Kết quả chạy thử

81

4.3.1. Khảo sát theo cường độ bức xạ mặt trời

82

4.3.2. Khảo sát theo sự thay đổi của độ mở

85

4.3.3. Khảo sát theo sự thay đổi của chiều dài

88

4.3.4. Khảo sát theo sự thay đổi của tiêu cự

89

4.3.5. Khảo sát theo sự thay đổi của đồng thời của độ dài và độ mở

91

4.3.6. Khảo sát trong khoảng thời gian quá độ

94

4.4. Nhận xét

96

KẾT LUẬN

98

Tài liệu tham khảo

99

Phụ lục

102

4


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, đề tài luận văn cao học : ‘Nghiên cứu, tính toán và
đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố về kết cấu và thời tiết đến hiệu suất bộ

thu nhiệt mặt trời kiểu hội tụ’ là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hướng
dẫn của PGS.TS Đặng Đình Thống.
Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực, có nguồn trích dẫn
được ghi trong phần tài liệu tham khảo. Kết quả luận văn là trung thực, và
chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.
Hà Nội, ngày 15 tháng 3 năm 2012
Tác giả

Nguyễn Minh Khang

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Các chữ viết tắt :
BXMT : Bức Xạ Mặt Trời
NLMT : Năng Lượng Mặt Trời
CĐBX : Cường Độ Bức Xạ
CNMT : Công nghệ Nhiệt điện Mặt trời Tập trung
NHI : Nhiệt Hữu Ích
NLBXT : năng lượng bức xạ mặt trời tới
PFTT : Phản xạ Fresnell Tuyến tính Tập trung
a : ambient – Môi trường không khí bao quanh
b : beam - trực xạ
c : cover - Ống thuỷ tinh bao quanh
con : convection - đối lưu
d : diffuse -Nhiễu xạ
e : external – bên ngoài không gian
ev : evacute – phần chân không vành khuyên
i : in – bên trong

f : flow fluit - Chất lỏng dẫn nhiệt
fu : usefull - hữu ích
Nu : Hệ số Nussel
O : on – Trên bề mặt ngang
o : out – bên ngoài
p : pipe - Ống hấp thụ
Pr : hệ số Prandlt
Re : Hệ số Reynol
S : sun - mặt trời
s : section cross - cắt ngang

6


Các ký hiệu :
A : Diện tích hiệu dụng mặt mở
b : Khoảng cách giữa mặt trời và trái đất
C : Tỉ lệ tập trung
Cp : Nhiệt dung riêng
D : Đường kính
d : Đường kính trái đất
g : gia tốc trọng trường
h : Độ cao máng parabôn
heff : Hệ số truyền nhiệt hiệu dụng
I : Cường độ bức xạ
K(θ) : Hệ số hiệu chỉnh góc tới
k : Độ dẫn nhiệt
L : Chiều dài bộ thu kiểu máng parabôn
m : Lưu lượng khối của chất lỏng dẫn nhiệt
n : Ngày trong năm

Q : Tổng năng lượng nhiệt
q : sai phân nhiệt
S : Thông lượng ánh sáng tới bề mặt ống hấp thụ
T : Nhiệt độ
W : Độ mở của máng parabôn
α : Góc độ cao mặt trời
Hệ số hấp thụ của ống hấp thụ
β : Góc giữa mặt phẳng quan sát và mặt nằm ngang
ε : Hệ số bức xạ nhiệt
φ : Vĩ độ
Φr : Góc mở bộ thu máng parabôn

7


γ : Góc phương vị
Thừa số chặn
ρ : Hệ số phản xạ của gương parabôn
Khối lượng riêng
η : Hiệu suất nhiệt bộ thu kiểu máng parabôn
η0 : Hiệu suất quang bộ thu kiểu máng parabôn
μ : Độ nhớt động lực học
τ : Hệ số truyền qua của ống huỷ tinh
τb : Hệ số truyền qua của khí quyển
ν : Độ nhớt động học
ω : Góc giờ mặt trời
ωs : Góc giờ mặt trời lặn
δ: Góc lệch
δz : Góc tán sắc
Г : Góc quay định vị bộ thu theo mặt trời

8


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Bảng thể hiện một số thông số về nhiệt độ của bếp mặt trời
trong quá trình sử dụng
Bảng 2. 2. Một số nhà máy nhiệt điện mặt trời kiểu máng parabôn
Bảng 2. 3. So sánh một số đặc điểm chính của công nghệ nhiệt điện
mặt trời tập trung
Bảng 2. 4. Tỉ lệ sử dụng nhiệt điện mặt trời trong tổng số nguồn điện của
các nước trên thế giới trong tương lai
Bảng 4.1. Một số giá trị ban đầu dùng để khảo sát
Bảng 4.2. Sự thay đổi của hiệu suất theo độ dài và độ mở của máng
parabôn
Bảng 4.3 Sự biến thiên nhiệt độ đầu ra trung bình của chất lỏng dẫn nhiệt
khi chiều dài và độ mở thay đổi

9


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1. 1. Mối liên hệ giữa trái đất và mặt trời
Hình 1. 2. Phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời ở giới hạn
trên của khí quyển
Hình 1. 3. Vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt
trời trong một năm
Hình 1. 4. Các góc tương quan giữa tia sáng tới trên mặt phẳng quan sát
Hình 1. 5. Tương tác của BXMT với khí quyển

Hình 2. 1. Nguyên lý hiệu ứng nhà kính
Hình 2. 2. Một thiết bị sấy nông sản
Hình 2. 3. Cấu tạo của một collecctor
Hình 2. 4. Sơ đồ cấu tạo của bình nước nóng dạng ống chân không
Hình 2. 5. Thiết bị đun nước nóng ARISTON dạng dãy ống (trái) và dạng
tấm (phải) đang ban trên thị trường
Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chưng cất nước
Hình 2. 7. 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
Hình 2. 8. Sơ đồ bếp mặt trời
Hình 2. 9. Nguyên lý phản xạ ánh sáng
Hình 2. 10. Sơ đồ khối tổng quan c ủa công nghệ nhiệt điện mặt trời
Hình 2. 11. Nhà máy nhiệt điện mặt trời PS10
Hình 2.12. Tháp tập trung ánh sáng của nhà máy điện
Hình 2. 13. Sơ đồ nguyên lý của bộ phản xạ Fresnel tuyến tính tập trung
Hình 2.14. Hệ thống gương của một nhà máy nhiệt điện
Hình 2. 15. Sơ đồ khối của một nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng công
nghệ máng parabôn

10


Hình 2.16. Các máng parabôn của nhà máy Andasol 1 ở Tây Ban Nha
Hình 2. 17. Sơ đồ nguyên lý bộ thu kiểu đĩa parabôn
Hình 2.18. Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng đĩa parabôn ở California
có công suất 300MW
Hình 3. 1. Một bộ thu kiểu máng parabôn
Hình 3. 2. Cấu tạo của ống hấp thụ
Hình 3. 3.. Biểu diễn hình học máng gương parabôn
Hình 3. 4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ thu máng parabôn

Hình 3.5. Sơ đồ mô tả sự định vị theo mặt trời của máng parabôn
Hình 3.6. Biểu diễn các véc tơ trong hệ trục toạ độ
Hình 3.7. Quay hệ trục rbu một góc ς
Hình 3.8. Các hướng truyền nhiệt chính
Hình 4. 1. Đoạn ống Δz trên ống hấp thụ
Hình 4.2. So sánh nhiệt hữa ích (NHI) với năng lượng BXMT tới
(NLBXT), và so sánh CĐBX trực xạ (Ib) với thông lượng ánh sáng tới ống
hấp thụ (S)
Hình 4.3. Hiệu suất bộ thu phụ thuộc theo thời gian trong ngày
Hình 4.4. Nhiệt độ chất lỏng dẫn nhiệt ra khỏi ống hấp thụ theo thời gian
trong ngày
Hình 4.5. Sự thay đổi của hiệu suất theo thời gian khi độ mở thay đổi
Hình 4. 6. Sơ đồ biểu thị sự thay đổi của hiệu suất trung bình theo độ mở
Hình 4.7. Sự biến thiên của NHI và NLBXT bề mặt mở khi độ mở thay
đổi
Hình 4.8. Sơ đồ biểu diễn nhiệt độ đầu ra của chất lỏng dẫn nhiệt trong
ngày khi độ mở W thay đổi
Hình 4.9. Sơ đồ biểu thị sự thay đổi của hiệu suất trung bình theo chiều dài
L

11


Hình 4.10. Sơ đồ biểu diễn nhiệt độ đầu ra trung bình của chất lỏng dẫn
nhiệt trong ngày khi chiều dài L thay đổi
Hình 4.11. Sự thay đổi của hiệu suất trung bình theo tiêu cự f
Hình 4.12. Sự thay đổi của góc mở (a) và thừa số chặn γ (b) theo tiêu cự
Hình 4.13. Sự biến thiên của hiệu suất trung bình ngày theo sự thay đổi
đồng thời của độ mở và độ dài
Hình 4.14. Sự biến thiên của nhiệt độ đầu ra trung bình ngày của chất lỏng

dẫn nhiệt theo sự thay đổi đồng thời của độ mở và độ dài
Hình 4.15. Quá trình qúa độ của hiệu suất bộ thu khi mặt trời mới mọc
Hình 4.16. Sự tăng đột biến của hiệu suất vào buổi chiều
Hình 4.17. So sánh giữa NHI và NLBXT vào buổi chiều
Hình 4.18. Sơ đồ biểu diễn hiệu suất nhiệt tức thời từ lúc mặt trời mọc đến
khi mặt trời lặn của bộ thu máng parabôn

12


LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng, trong khi các
nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, giá
thành cao, nguồn cung không ổn định. Đặc biệt việc sử dụng quá nhiều năng
lượng hóa thạch đã gây ra ô nhiễm rất nặng nề môi trường sống. Vì vậy, nhiều
nguồn năng lượng thay thế đang được các nhà khoa học quan tâm, trong đó có
nguồn năng lượng mặt trời. Việc tiếp cận để khai thác ứng dụng nguồn năng
lượng này không chỉ góp phần cung ứng nhu cầu năng lượng của xã hội mà
còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Kể từ đầu những năm 60 thế kỷ 19, khi mà kỹ sư, nhà sáng chế Auguste
Mouchout người Pháp sử dụng một chiếc nồi kín bằng thuỷ tinh, một chiếc
đĩa hình parabôn mài bóng và sức nóng mặt trời để tạo ra hơi nước, cấp cho
chiếc động cơ hơi nước đầu tiên chạy bằng năng lượng mặt trời thì đến nay,
công nghệ năng lượng nhiệt mặt trời đã có những bước tiến dài. Giờ đây đã có
hàng loạt các hệ công nghệ đang được hoặc sẵn sàng sử dụng - trong đó phải
kể đến máng gương parabôn, tháp năng lượng, và hệ thống đĩa/động cơ, và
một số hệ khác đang trong quá trình triển khai. Các thông báo liên tiếp xuất
hiện trong năm 2009 vừa qua cho thấy sự đa dạng và mức độ triển khai của
các công nghệ này. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt

trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển.
Một nhược điểm cần được cải thiện của các bộ thu năng lượng mặt trời
là hiệu suất biến đổi năng lượng khá thấp, bởi thông số này bị ảnh hưởng bởi
nhiều yếu tố. Vì vậy, luận văn được viết với mục đích bước đầu có thể sử
dụng để làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về công nghệ nhiệt điện
mặt trời, cũng như nghiên cứu, học tập việc thiết kế, chế tạo các nhà máy
nhiệt điện mặt trời ở Việt Nam trong tương lai.

13


Luận văn được trình bày trong bốn chương:
Chương 1. Trình bày tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời
Chương 2. Trình bày hiện trạng cũng như các nghiên cứu, phát triển
công nghệ nhiệt mặt trời và các ứng dụng để sản xuất nhiệt và điện.
Chương 3. Tập trung nghiên cứu về công nghệ nhiệt điện mặt trời máng
parabôn, nghiên cứu sự phụ thuộc hiệu suất thu năng lượng mặt trời phụ thuộc
vào kích thước hình dạng hình học của máng thu, vào các tính chất nhiệt của
vật liệu làm bộ thu, vào bản chất chất tải nhiệt cũng như vào bức xạ mặt trời
và môi trường xung quanh.
Chương 4. Đây là chương quan trọng nhất của luận văn. Trong chương
này, tác giả xây dựng thuật toán, chương trình phần mềm nhằm nghiên cứu
các ảnh hưởng của bức xạ mặt trời, hình dạng kích thước bộ thu cũng như các
tính chất nhiệt của vật liệu làm bộ thu và chất tải nhiệt lên hiệu suất của bộ
thu. Từ đó, đưa ra những kết luận, đánh giá hữu ích cho công việc thiết kế,
tính toán và chế tạo bộ thu, góp phần phát triển công nghệ nhiệt điện mặt trời
ở Việt nam.
Là một lĩnh vực khoa học công nghệ còn rất mới đối với nước ta và với
chính bản thân, nên luận văn không tránh khỏi một số sai sót. Vì vậy, tác giả
mong nhận được những đóng góp nhận xét của động nghiệp.

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đối với PGS.TS Đặng Đình
Thống, và các Thầy, Cô Viện Vật Lý Kỹ Thuật và đồng nghiệp về những sự
quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và
thực hiện luận văn.
Hà nội, ngày 15 tháng 03 năm 2012
Tác giả

14


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1. NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu cực nóng, có đường kính 1,39.106km
(lớn hơn nhiều so với đường kính trái đất 1,27.104km ). Nhiệt độ bề mặt mặt
trời khoảng 5778K . Nhiệt độ tại tâm mặt trời khoảng 15.106K , với thành
phần hoá học, chủ yếu là nguyên tố Hidrô và Hêli (tương ứng với 73,46% và
24,85% tổng khối lượng mặt trời). (nguồn NASA)
Ngoài ra, do trái đất ở cách xa mặt trời, và mặt trời lớn hơn rất nhiều trái
đất, nên có thể coi rằng, các tia sáng từ mặt trời đến trái đất là song song
nhau, và chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc 32’.

Hình 1.1. Mối liên hệ giữa trái đất và mặt trời
Với những điều kiện phù hợp như vậy, phản ứng nhiệt hạch luôn luôn
xảy ra tại tâm mặt trời:
4 1H  4He + e + γ
Chúng ta lấy một ví dụ đơn giản, nếu có 1g (H) thì năng lượng giải
phóng ra trong phản ứng trên cỡ 1012J. Với khối lượng của mặt trời khoảng

2.1030kg, thì lượng năng lượng mà mặt trời sinh ra trong quá trình đốt nóng là

15


vô cùng lớn, theo các nhà khoa học thì phải 4 đến 5 tỷ năm nữa mới hết
được.
Như vậy, có thể nói rằng, nguồn NLMT là một nguồn năng lượng lớn
nhất (gần như vô tận) và sạch nhất hiện nay mà con người có thể biết.
1.1.2. Bản chất nguồn năng lượng mặt trời
NLMT truyền tới trái đất dưới dạng sóng điện từ có phổ rất rộng.

Hình 1.2. Phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời
ở giới hạn trên của khí quyển [22]
Trên hình 1.2 là phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời
(BXMT) ở giới hạn trên của khí quyển. Phần phổ với bước sóng từ 0,1 đến
4μm bao gồm 99% toàn bộ năng lượng BXMT. Bức xạ với bước sóng nhỏ
hơn hay lớn hơn kể cả những tia rơnghen và sóng vô tuyến điện chỉ chiếm 1%
năng lượng còn lại. Phần ánh sáng thấy được chiếm khoảng phổ hẹp có bước
sóng từ 0,4 đến 0,75μm. Song ở đây bao gồm gần một nửa toàn bộ năng
lượng của BXMT (44%). Các tia hồng ngoại chiếm năng lượng trên 48%, còn
lại 7% năng lượng là tia cực tím, các tia khác chỉ chiếm dưới 1%.
1.1.3.NLMT ngoài vũ trụ- Hằng số mặt trời
Mật độ dòng năng lượng BXMT tới bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ
ở ngay ngoài lớp khí quyển, tính trên 1m2, được tính theo công thức :

16


Isc = Is (R/b)2

(1.1)

R = 0,695.106 là bán kính mặt trời,
b = 1,496.108km là khoảng cách trung bình giữa trái đất và mặt trời
IS là cường độ bức xạ ở bề mặt mặt trời, được tính theo định luật Stefan
– Bolzman : IS = εσTS4

(1.2)

ε hệ số phát xạ của vật, do mặt trời có thể coi là vật đen tuyệt đối nên coi
ε =1
σ = 5,67.10-8W/m2K4 là hằng số Stefan – Bolzman
TS = 5778K , nhiệt độ tại bề mặt mặt trời
Thay số ta tính được Isc = 1364 W/m2
Giá trị này không chịu ảnh hưởng của khí quyển, mà chỉ phụ thuộc vào
khoảng cách giữa trái đất và mặt trời nên được gọi là hằng số mặt trời. Hằng
số mặt trời là năng lượng bức xạ đo được trong không gian nằm ngoài lớp khí
quyển bao quanh trái đất, trong một đơn vị thời gian, trên một đơn vị diện
tích bề mặt vuông góc với tia BXMT.
1.2. ĐẶC ĐIỂM NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.2.1. Sự chuyển động của hệ mặt trời- trái đất
Trái đất quay quanh mặt trời theo một quỹ đạo elip và mặt trời nằm trên
một trong những tiêu điểm của quỹ đạo này (Hình 1.3 ).
Trên hình 1.3 biểu diễn vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung
quanh mặt trời trong một năm. Vào đầu tháng 1, trái đất gần mặt trời nhất (với
khoảng cách là 147,1 triệu km), vào đầu tháng 7 trái đất xa mặt trời nhất (với
khoảng cách là 152,1 triệu km).
Ngoài ra, khi chuyển động quay xung quanh mặt trời, thì trái đất cũng tự
quay xung quanh trục của nó. Trục quay của trái đất không thẳng góc với mặt

17


phẳng quỹ đạo mà nghiêng một góc 23,450. Khi trái đất quay quanh mặt trời
được một vòng thì nó cũng tự quay xung quanh mình 365,25 vòng.

Hình 1. 3. Vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động
xung quanh mặt trời trong một năm[22]
Vì có sự chuyển động giữa mặt trời và trái đất, và sự tự quay của trái đất
nên cường độ bức xạ (CĐBX) năng lượng mặt trời (NLMT) bên ngoài khí
quyển thay đổi chút ít, và có thể xác định theo công thức :
IE = Isc(1+0,033cos

360
n)
365

(1.3)

n : ngày trong năm, n=1 vào ngày 1/1
IE : CĐBX mặt trời ngay bên ngoài khí quyển, được đo trên mặt phẳng
vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
1.2.2. Tính không ổn định của nguồn NLMT
BXMT tới trên Mặt Đất phụ thuộc vào hai yếu tố : góc nghiêng của các
tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm quan sát và độ dài đường đi của
các tia sáng trong khí quyển, hay nói cách khác là phụ thuộc vào vị trí của mặt
trời so với mặt quan sát .

18

a. Một số khái niệm
- Hệ số khối khí AM : là tỉ số giữa độ dài của tia mặt trời khi đi qua lớp
khí quyển tái Đất và độ dày của lớp khí quyển theo phương thẳng đứng (khi
mặt trời ở thiên đỉnh – lúc giữa trưa)..
- Trực xạ : là BXMT chiếu đến bề mặt trái đất khi không bị các thành
phần của khí quyển gây tán xạ. Đây là dòng bức xạ có định hướng.
- Tán xạ : Là thành phần BXMT chiếu đến bề mặt trái đất sau khi hướng
của nó đã bị thay đổi do sự tán xạ bởi lớp khí quyển.
- Tổng xạ : Là tổng của trực xạ vá tán xạ trên một bề mặt.
- Cường độ bức xạ (W/m2) : Là cường độ năng lượng BXMT đến một bề
mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ BXMT cũng
bao gồm CĐBX trực xạ, CĐBX tán xạ.
- Giờ mặt trời : Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời
trên bầu trời, với qui ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua
thiên đỉnh của người quan sát.
b. Vị trí của mặt trời trên bầu trời
Vị trí của mặt trời trên bầu trời luôn thay đổi, phụ thuộc vào không gian
(vị trí quan sát), và thời gian. Vì vậy, để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu
và tính toán, thì một số góc hình học đã được định nghĩa nhằm xác định vị trí
của mặt trời trên bầu trời. Như trong hình 1.4 thể hiện quan hệ hình học giữa
một mặt phẳng định hướng bất kỳ trên mặt đất và tia BXMT truyền tới, hay
nói cách khác, nó thể hiện vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó.
- Góc giờ ω : là góc xác định vị trí mặt trời trên bầu trời ở thời điểm quan
sát. Nó là số đo góc của thời gian và có tỉ lệ tương đương 150 trong 1h. Góc
giờ ω cũng biến đổi từ -1800 đến +1800, và được quy ước tại 12 giờ trưa, góc
ω = 00 . Góc giờ sẽ có giá trị (+) vào bưổi sáng và (-) vào buổi chiều.
ω=(12-t).15, với t là giờ (h) trong ngày, ω đo bằng độ.

19


- Góc vĩ tuyến φ hay còn gọi là vĩ độ của một địa phương nào đó là góc
tạo bởi bán kính của trái đất đi qua địa phương đó và hình chiếu của nó trên
mặt phẳng xích đạo của trái đất.
Góc φ có giá trị từ -900 (điểm cực Nam) đến +900 (điểm cực Bắc).
- Góc lệch δ là góc nối giữa đường nối tâm của mặt trời với tâm trái đất
và hình chiếu của nó trên mặt phẳng xích đạo.
Do trái đất tự quay xung quanh trung nghiêng (trục Bắc Nam) của nó
một góc 23,450 nên góc lệch δ sẽ có giá trị từ +23,450 vào ngày Hạ Chí 21/06
đến -23,450 vào ngày Đông Chí 21/12. Vào một ngày bất kì, góc lệch được
tính theo công thức Cooper :
δ(đo bằng độ) = 23,45 sin [

360
(284 +n) ]
365

(1.4)

Trong đó n là số ngày của năm, n = 1 vào ngày 01/01
- Góc Azumith γ hay còn gọi là góc phương vị của mặt phẳng nghiêng :
Là góc nằm trong mặt phẳng nằm ngang giữa hướng Nam và hình chiếu của
pháp tuyến của mặt quan sát trên mặt ngang. Góc γ có thể biến đổi từ -1800
đến +1800. Góc γ nhận dấu (+) nếu hình chiếu pháp tuyến của mặt quan sát
nằm ở bên phải hướng Nam, và sẽ nhận dấu (-) nếu hình chiếu pháp tuyến
nằm ở bên trái hướng Nam
- Góc nghiêng β là góc giữa mặt quan sát và mặt nằm ngang, và biến đổi
từ 00 đến 1800 .

- Góc tới θ : là góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của
bề mặt đó.
- Góc đỉnh θZ : Là góc giữa pháp tuyến của mặt phẳng nằm ngang và tia
bức xạ tới.
- Góc độ cao của mặt trời α : Góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ
tới, nó chính là góc phụ của góc đỉnh.

20


Hình 1.4. Các góc tương quan giữa tia sáng tới trên mặt phẳng quan
sát
- Góc phương vị mặt trời γS Là góc hợp bởi hình chiếu của tia tới trên
mặt phẳng nằm ngang và phương chính Nam, nó nhận dấu (+) khi mặt trời ở
phía Đông và nhận dấu (-) khi mặt trời ở phía Tây.
Quan hệ giữa các góc trên có thể biểu diễn bằng phương trình :
cosα sinγ =-cosδ.sinω

(1.5)

cosα.cosγ=sinδ.cosφ-cosδ.cosω.sinφ
cosθ = cosθZ . cosβ + sinθZ . sinβ.cos(γS - γ)

(1.6)

Đối với bề mặt nằm ngang, góc tới θ cũng chính là góc đỉnh của mặt trời
θz . Như vậy, ta cũng có :
cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ

(1.7)

Từ phương trình này, ta thấy, khi mặt trời lặn, θz = +900

cos s  

sin . sin 
  tg.tg
cos . cos 

(1.8)

Cường độ BXMT IOE tới bề mặt nằm ngang ngay bên ngoài khí quyển sẽ
được xác định theo công thức :

21


IOE = IE.cosθz

(1.10)

với IE được tính theo phương trình (1.3)
IOE = Isc(1+0,033cos n).cosθz

(1.11)

Hay
IOE = Isc(1+0,033cos 360.n/365).( cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ) (1.12)
Gọi IO là cường độ BXMT tới bề mặt trái đất, thì ta sẽ có :
IO = f* . IOE

(1.13)

với f*có thể là một hệ số, hoặc có thể là một biểu thức phức tạp mà ta sẽ
giải thích sau.
Như vậy, có thể nói rằng, năng lượng BXMT tới trên bề mặt trái đất phụ
thuộc vào các góc, tức là phụ thuộc vào vị trí của mặt trời và thời gian quan
sát, hay nói cách khác là phụ thuộc vào không gian và thời gian.

1.2.3. Ảnh hưởng của lớp khí quyển
Khí quyển trái đất là lớp các chất khí bao quanh và được giữ lại bởi lực
hấp dẫn của trái đất, gồm có nitơ (78,084% thể tích), ôxy (20,946%), với một
lượng nhỏ agon (0,934%), điôxít cacbon (khoảng 0,035%), hơi nước và một
số chất khí khác [21].
Bầu khí quyển trái đất hấp thụ, tán xạ các thành phần của BXMT của mặt
trời và tạo ra sự thay đổi phổ BXMT, và thay đổi nhiệt độ trên bề mặt trái đất.
Khi đi qua khí quyển, BXMT bị các chất khí trong khí quyển và các tạp
chất khuếch tán một phần và chuyển thành tán xạ. Một phần BXMT được các
phân tử chất khí khí quyển và tạp chất hấp thụ và biến nó thành nhiệt đốt
nóng khí quyển. Phần trực xạ không bị khuếch tán và hấp thụ trong khí quyển
đi thẳng tới mặt đất, một phần bị mặt đất phản hồi còn phần lớn bị mặt đất
hấp thụ và đốt nóng nó, một phần tán xạ cũng tới mặt đất, trong đó một phần
lại phản hồi và một phần đốt nóng mặt đất. Một phần khác của tán xạ đi lên

22


phía trên và mất vào khoảng không gian giữa các hành tinh. Do quá trình hấp
thụ và khuếch tán bức xạ trong khí quyển, trực xạ tới mặt đất đã biến đổi so
với khi tới giới hạn trên của khí quyển. Cường độ của bức xạ giảm đi, thành

phần phổ của nó cũng biến đổi, do những tia bức xạ có bước sóng khác nhau
bị khí quyển hấp thụ và khuếch tán khác nhau.

Hình 1. 5. Tương tác của BXMT với khí quyển[22]
Ngoài sự hấp thụ, trực xạ trên đường xuyên qua khí quyển còn giảm yếu
do bị khuếch tán và sự giảm yếu này lớn hơn sự giảm yếu do hấp thụ. Quá
trình khuếch tán là sự biến đổi từng phần trực xạ có một hướng lan truyền
nhất định thành bức xạ lan theo mọi hướng (Hình 1.5).
1.2.4. Các thành phần BXMT trên mặt đất
Tổng BXMT tới một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai thành phần là
trực xạ, và tán xạ. Nhưng thành phần tán xạ lại khá phức tạp.

23


Hướng của các tia tán xạ truyền tới bề mặt quan sát phụ thuộc thành phần
các phân tử khí trong khí quyển, hay nói cách khác, chính là độ trong suốt của
khí quyển, mà đại lượng này lại thay đổi khá nhiều. tuy nhiên, chúng ta có thể
coi tán xạ là tổng hợp của ba thành phần : Thành phần tán xạ đẳng hướng
(phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời), thành phần tán xạ
quanh tia (Phần tán xạ bị phát tán của BXMT xung quanh các tia trực xạ), và
thành phần tán xạ chân trời (thành phần tán xạ tập trung gần đường chân trời).
Góc khếch tán của thành phần tán xạ chân trời phụ thuộc vào hệ số phản
xạ của mặt đất. Ví dụ như bề mặt tuyết xốp có độ phản xạ cao, lên đến 0,7 sẽ
phản xạ mạnh BXMT trở lại bầu trời và lần lượt bị phát tán và trở thành thành
phần tán xạ chân trời.
Như vậy, CĐBX tới bề mặt nằm ngang IO sẽ là :
IO = Ib + Id

(1.15)

Trong đó : Ib : CĐBX trực xạ tới mặt nằm ngang
Id : CĐBX tán xạ tới mặt nằm ngang

1.3. ƯỚC TÍNH CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ MẶT TRỜI
Để tính toán CĐBX tại bất kì thời điểm nào thì nguồn dữ liệu về CĐBX
của các ngày trong tháng, trong năm là một yếu tố khá cần thiết. Hoặc cần
phải sử dụng các thiết bị đo chuyên dụng để đo.
Ảnh hưởng của khí quyển trong việc tán xạ và hấp thụ BXMT thì rất
khác nhau trong điều kiện khí quyển và khối khí AM thay đổi.
Hottel (1976) đã đưa ra một phương pháp tính hệ số truyền qua của khí
quyển trong điều kiện trời trong xanh dựa vào góc zenith và độ cao so với mặt
biển :

b 

Ib
 a 0  a 1 exp  k / cos  z 
IE

Với a0, a1 và k là các hằng số khí quyển chuẩn với tầm nhìn 23km

24

(1.18)


a 0  r0 .a *0

a 1  r1.a1*

*

k  rk .k *

(1.19)

*

Trong đó các hệ số a 0 , a 1 , và k* được xác định từ các phương trình sau :
a *0  0,4237  0,0082 ( 6  A ) 2

(1.20)

a 1*  0,5055  0,00595(6,5  A ) 2

(1.21)

k *  0, 2711  0,01858 ( 2,5  A ) 2
Với A là độ cao của mặt quan sát (<2,5km)
Còn các hệ số r0, r1 và rk là các hệ số kinh nghiệm, có giá trị thay đổi tuỳ
thuộc vào miền khí hậu
Như vậy, ta có

I b  I OE . b . cos  z

(1.24)

1.4. ƯU NHƯỢC ĐIỂM NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.4.1. Các ưu việt của nguồn NLMT
Một trong những lợi thế lớn nhất của NLMT là nó là một nguồn năng

lượng tái tạo, có thể khai thác lâu dài, trong hàng triệu năm tới. Do đó, NLMT
thực sự có thể được gọi như là một nguồn năng lượng vô tận.
NLMT có thể được sản xuất tại bất kỳ phần nào của thế giới, ở bất cứ
đâu, ở nơi tập trung dân cư, khu công nghiệp, hay hộ gia đình nhỏ lẻ, miễn là
nơi đó có nhiều ánh sáng mặt trời.
Một trong những lợi thế quan trọng nhất về môi trường của NLMT là nó
là một nguồn gây ô nhiễm phi năng lượng như không có khí thải carbon
dioxide hoặc các khí khác trong sản xuất điện, vì vậy, ngành NLMT không
gây nguy hiểm cho môi trường và do đó, nó là một nguồn năng lượng sạch.
Về lợi ích kinh tế của NLMT, thì ngoài các chi phí cài đặt ban đầu, thì
NNLMT sử dụng miễn ph (trong khi đó, giá than, khí thiên nhiên và dầu mỏ
và nhiên liệu hóa thạch khác có xu hướng tăng liên tục.)

25