Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt (luận văn thạc sĩ)

I HỌ QU
TRƢỜN

Ọ

GI H N I
O

Ọ T

N

N

-----------------------

N UYỄN ÌN

N

N ỨU SỬ DỤN
LƢỢN

T

ÁP

ẾT BỊ UN NƢỚC NÓNG BẰN

MẶT TRỜ P Ụ VỤ S N

LU N VĂN T

S

O

NĂN

O T

Ọ

Năm 2015

HV: Nguyễn Đình Đáp

3

K16 Khoa học môi trường


MỤ LỤ
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục bảng
Danh mục hình
MỞ ẦU ...................................................................................................................... 10
ƢƠN 1. TỔN QU N VỀ NĂN LƢỢN MẶT TRỜ VÀ Á
ÔN
N
Ệ NĂN LƢỢN MẶT TRỜ ......................................................................... 14

1.1. NGUỒN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ................................................................. 14
1.1.1. Bức xạ mặt trời .................................................................................................... 14
1.1.1.1. Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển ...................................... 15
1.1.1.2. Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất ........................................................... 20
1.1.2. Nguồn gốc năng lƣợng mặt trời .......................................................................... 25
1.2. TỔNG QU N Á
ÔNG NGHỆ KH I THÁ V SỬ DỤNG NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI .................................................................................................... 26
1.2.1. Qu tr nh ph t triển và triển kh i ứng dụng năng lƣợng mặt trời ....................... 26
1.2.2. T nh h nh ứng dụng năng lƣợng mặt trời trên thế giới ....................................... 28
1.2.3. c hệ thống năng lƣợng mặt trời h i tụ oncentr ting sol r power - CSP) .... 35
1.2.4. Công nghệ Qu ng điện Photovolt ics - PV) ...................................................... 37
1.2.5. ng nghệ nhiệt mặt trời nhiệt đ thấp ............................................................... 37
1.3. ÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI Ể SẢN XUẤT NƢỚ NÓNG .................. 38
1.3.1. Hiệu ứng nhà kính và m t số ứng dụng .............................................................. 38
1.3.1.1. Hiệu ứng nhà kính ................................................................................. 38
1.3.1.2. M t số ứng dụng hiệu ứng nhà kính trong c ng nghệ năng lƣợng mặt
trời ...................................................................................................................... 40
1.3.2. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời ............................................. 47
1.3.2.1. Nguyên lý chung ................................................................................... 47
1.3.2.2. ấu tạo củ hệ thống thiết bị đun nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời....... 48
1.3.2.3. hu tr nh đối lƣu tự nhiên và chu tr nh đối lƣu cƣỡng bức .................. 51
1.3.2.4. c loại b thu nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời ................................... 53
1.4. TIỀM NĂNG V ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Ủ VIỆT N M
....................................................................................................................................... 62
1.4.1. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời củ Việt N m ................................................... 62
1.4.2. ung cấp điện bằng năng lƣợng mặt trời ............................................................ 66
1.4.2. ung cấp nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời .................................................. 68
1.4.4. c ứng dụng kh c .............................................................................................. 70
1.5. M T S VẤN Ề ẦN LƢU Ý KHI SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

....................................................................................................................................... 70
1.5.1. ặc điểm kh ng ổn định củ năng lƣợng mặt trời .............................................. 70
1.5.2. ối với c c ứng dụng nhiệt mặt trời ................................................................... 71
1.5.3. ối với điện mặt trời ........................................................................................... 72

HV: Nguyễn Đình Đáp

4

K16 Khoa học môi trường


1.6. TÍNH KINH TẾ V TRIỂN VỌNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ..................... 72
1.6.1. Tính kinh tế ......................................................................................................... 72
1.6.2. Triển vọng năng lƣợng mặt trời .......................................................................... 73
ƢƠN 2. Ố TƢỢN , NỘ DUN VÀ P ƢƠN P ÁP N
N ỨU . 76
2.1.
I TƢỢNG V PH M VI NGHIÊN ỨU ....................................................... 76
2.2. N I DUNG NGHIÊN ỨU .................................................................................. 78
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN ỨU .......................................................................... 78
2.3.1. Các phƣơng ph p nghiên cứu th ng dụng .......................................................... 78
2.3.2. Thu thập số liệu tự đ ng SWH Data logger ........................................................ 79
ƢƠN 3. ẾT QUẢ N
N ỨU VÀ T ẢO LU N .................................. 84
3.1. TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI T I H N I ................................... 84
3.2.1. c đặc thù củ Hà N i ....................................................................................... 84
3.1.2. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời tại Hà N i ......................................................... 84
3.2. HIỆN TR NG NGHIÊN ỨU, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ UN NƢỚ NÓNG
MẶT TRỜI T I H N I ............................................................................................. 86

3.2.1. Hiện trạng nghiên cứu ......................................................................................... 86
3.2.2. ng suất lắp đặt ................................................................................................. 87
3.3. ÁNH GIÁ HIỆU QUẢ Ủ THIẾT BỊ UN NƢỚ NÓNG NĂNG LƢỢNG
MẶT TRỜI.................................................................................................................... 93
3.3.1. Kết quả thí nghiệm về nhiệt đ đầu vào và r ) và lƣợng nƣớc sử dụng ............ 93
3.3.1.1. Nhiệt đ trung b nh nƣớc lạnh vào và nƣớc nóng r ............................ 93
3.3.2.2. Lƣợng nƣớc nóng sử dụng, thời gi n sử dụng nƣớc nóng .................... 94
3.3.2. c kết quả tính to n về tiết kiệm chi phí, năng lƣợng và m i trƣờng củ thiết bị
đun nƣớc nóng mặt trời ................................................................................................. 99
3.3.2.1. Tiết kiệm về điện năng .......................................................................... 99
3.3.2.2. Lƣợng ph t thải O2 giảm đƣợc ......................................................... 100
3.3.2.3. Lƣợng ph t thải SO2 giảm đƣợc ......................................................... 101
3.3.2.4. Giảm ph t thải bụi ............................................................................... 103
3.4. M T S GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN SỬ DỤNG THIẾT BỊ UN NƢỚ NÓNG
BẰNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ......................................................................... 105
ẾT LU N VÀ ẾN N
Ị .................................................................................. 110
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 110
KIẾN NGHỊ: ............................................................................................................... 110
Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 112

HV: Nguyễn Đình Đáp

5

K16 Khoa học môi trường


Danh mục các từ viết tắt
BVMT

Bảo vệ m i trƣờng

BXMT

Bức xạ mặt trời

CN NLMT

ng nghệ năng lƣợng mặt trời

CTMTQG

hƣơng tr nh Mục tiêu Quốc gi

MT

iện mặt trời

NNMT

un nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời

NL

Năng lƣợng

NLMT

Năng lƣợng mặt trời

PV

Hiệu ứng qu ng điện Photov lt ic)

TBNNMT

Thiết bị nƣớc nóng mặt trời

TTNLM

Trung tâm Năng lƣợng mới

Wp

ng suất nhiệt tiêu chuẩn W tt - peak)

Wth

ng suất nhiệt W tt - thermal)

HV: Nguyễn Đình Đáp

6

K16 Khoa học môi trường


Danh mục bảng
Bảng 1.1.

c gi trị δ, n tƣơng ứng theo ngày ............................................................ 17

Bảng 1.2. Phân bố bức xạ mặt trời theo bƣớc sóng ...................................................... 18
Bảng 1.3.

c nƣớc có nhà m y điện từ pin mặt trời cỡ lớn c ng suất trên 1MWp).. 30

Bảng 1.4. c số liệu về hệ thống cung cấp nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời đã
lắp đặt tại m t số nƣớc .................................................................................................. 31
Bảng 1.5.

c nhà m y điện mặt trời PV lớn nhất thế giới trên 5 MW) .................... 32

Bảng 1.6.

c nhà m y điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới ...................................... 33

Bảng 1.7.

c nhà m y SP đ ng hoạt đ ng................................................................ 36

Bảng 1.8. Kết quả kiểm tr thành phần nƣớc trƣớc và s u khi chƣng cất .................... 44
Bảng 1.9. M t số th ng số về nhiệt đ củ bếp trong qu tr nh sử dụng ...................... 46
Bảng 1.1 . Tính chất củ m t số vật liệu dùng làm tấm phủ trong suốt....................... 50
Bảng 1.11. Năng lƣợng mặt trời trên c c vùng lãnh thổ Việt N m .............................. 62
Bảng 1.12. Số liệu về bức xạ mặt trời trung b nh tại m t số đị phƣơng ..................... 64
Bảng 1.13. L tr nh ph t triến nƣớc nóng mặt trời ....................................................... 69
Bảng 2.1. Lắp đặt c c hệ thí nghiệm sử dụng thiết bị NNMT ................................... 76
Bảng 3.1. Lƣợng tổng xạ cả ngày trung b nh Qtb đơn vị: kWh m2.ngày) .................. 85

Bảng 3.2. Lƣợng t n xạ cả ngày trung b nh Dtb đơn vị: kWh m2.ngày) ..................... 85
Bảng 3.3. Lƣợng trực xạ cả ngày trung b nh Itb đơn vị: kWh m2.ngày) ..................... 85
Bảng 3.4. Số giờ nắng cả ngày trung b nh l thuyết) N đơn vị: giờ ngày) ................ 85
Bảng 3.5. Số thiết bị nƣớc nóng mặt trời ...................................................................... 88
Bản 3.6. Tỷ lệ th m gi củ c c quận huyện ................................................................ 89
Bảng 3.7. Số thiết bị, tổng dung tích b nh chứ và tỷ lệ tăng trƣởng hàng năm ........... 92
Bảng 3.8. Nhiệt đ trung b nh nƣớc vào và r , lƣợng nƣớc nóng sử dụng trung b nh
hàng ngày và lƣợng năng lƣợng tiết kiệm củ c c h thí nghiệm ................................ 93
Bảng 3.9. Múc phí đối với c c khí thải gây nhiễm m i trƣờng ............................... 102
Bảng 3.1 . Tổng hợp kết quả tiết kiệm điện và lợi ích m i trƣờng củ thiết bị NNMT
..................................................................................................................................... 104

HV: Nguyễn Đình Đáp

7

K16 Khoa học môi trường


Danh mục hình
H nh 1.1. Qu ng phổ củ bức xạ mặt trời ..................................................................... 20
H nh 1.2. Sơ đồ cấu tạo h p thu năng lƣợng mặt trời hiệu ứng nhà kính ..................... 39
H nh 1.3. Thiết bị sấy n ng sản năng lƣợng mặt trời.................................................... 41
H nh 1.4. Thiết bị đun nƣớc nóng dạng dãy ống và dạng tấm phổ biến trên thị trƣờng......... 42
H nh 1.5. Sơ đồ nguyên l củ thiết bị chƣng cất nƣớc ................................................ 43
H nh 1.6. Hệ thống chƣng cất nƣớc ngọt từ nƣớc biển lắp tại B nh ại, Bến Tre gồm
3 modul, mỗi modul có diện tích đón nắng 4m2) .......................................................... 45
H nh 1.7. Sơ đồ bếp mặt trời ......................................................................................... 45
H nh 1.8. ấu tạo củ m t collecctor ............................................................................ 49
H nh 1.9. Sơ đồ cấu tạo bề mặt hấp thụ ........................................................................ 51

H nh 1.1 . Sơ đồ cấu tạo củ b nh nƣớc nóng dạng ống chân kh ng ........................... 51
H nh 1.11. Sơ đồ vòng đối lƣu tự nhiên củ nƣớc trong b thu NLMT ....................... 52
Hình 1.12. Vòng đối lƣu tự nhiên trong b thu tấm - ống ............................................ 52
H nh 1.13. Hệ thống b thu hoạt đ ng theo chu tr nh đối lƣu cƣỡng bức .................... 53
Hình 1.14. B thu h p kim loại vừ hấp thụ NLMT vừ là b nh chứ
thiết kế củ
Trung tâm Năng lƣợng mới, HBKHN) ...................................................................... 54
H nh 1.15. B thu kiểu tấm - ống Hệ NNMT 2
H nh 1.16.

lít dùng cho gi đ nh) ................ 55

c b thu kiểu c nh - ống.......................................................................... 56

H nh 1.17. Nguyên l hoạt đ ng b thu kiểu ống thuỷ tinh chân kh ng ...................... 57
H nh 1.18. B thu loại ống nhiệt ảnh tr i) và c c ống nhiệt h nh phải) ..................... 58
H nh 1.19. ấu tạo tiết diện ng ng ống nhiệt bên tr i) và ống nhiệt bên phải).......... 59
H nh 1.2 . ấu tạo ống nhiệt thuỷ tinh chân kh ng với ống kim loại chữ U ............... 60
H nh 1.21. Sơ đồ hệ thống b thu NNMT cho nhiệt đ thấp lắp cố định trên m i nhà ....... 61
H nh 1.22.

c b thu h i tụ m ng và gƣơng p r bol .................................................. 61

H nh 1.23. Sự biến đổi củ cƣờng đ bức xạ mặt trời theo thời gi n trong ngày ......... 65
H nh 2.1. Thiết bị NNMT đƣợc lắp đặt tại hiện trƣờng ............................................. 77
H nh 2.2. ấu tạo bên ngoài và c c cổng tín hiệu củ b thu thập số liệu tự đ ng ...... 80
H nh 2.3. ấu tạo bên trong, bo mạch chính và nguồn nu i củ b thu thập số liệu tự
đ ng ............................................................................................................................... 80
H nh 2.4. Hệ đo và thu thập số liệu s u khi lắp đặt ...................................................... 81

HV: Nguyễn Đình Đáp

8

K16 Khoa học môi trường


H nh 2.5. Gi o diện kết nối với m y vi tính củ SWH D t logger ............................. 82
H nh 2.6. Kết quả đo đƣợc lƣu lại dƣới dạng file excel ................................................ 82
H nh 3.1. Biểu đồ tỷ lệ th m gi lắp đặt và sử dụng thiết bị NNMT củ c c
quận huyện .................................................................................................................... 91
H nh 3.2. Biểu đồ tăng trƣởng hàng năm củ thiết bị NNMT từ 2

8 - 2010) ........ 92

H nh 3.3. Nhiệt đ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng

và b) nhà

H nh 3.4. Nhiệt đ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng

và b) nhà Ông Thịnh ................... 96

H nh 3.5. Nhiệt đ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng

và b) nhà Ông H i ....................... 96

H nh 3.6. Nhiệt đ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng

và b) Nhà Ông L m..................... 97

H nh 3.7. Nhiệt đ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng

Yến ........................ 95

và b) Trung tâm Năng lƣợng mới ...... 98

H nh 3.8. EVN triển kh i chƣơng tr nh quảng b sử dụng b nh nƣớc nóng năng lƣợng
mặt trời ........................................................................................................................ 108

HV: Nguyễn Đình Đáp

9

K16 Khoa học môi trường


MỞ ẦU
Năng lƣợng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lƣợng mà con ngƣời biết sử dụng từ
rất sớm. Sử dụng NLMT hiện đ ng đƣợc cho là giải ph p tối ƣu nhất trong khi c c
nguồn nguyên nhiên liệu hó thạch đ ng dầu bị cạn kiệt.

ây là nguồn năng lƣợng

sạch, kh ng gây nhiễm m i trƣờng và có trữ lƣợng v cùng lớn do tính t i tạo c o.
Bƣớc vào thế kỷ 21, c ng nghệ sử dụng NLMT đ ng có xu hƣớng ph t triển
mạnh. Hiện n y, nhiều nƣớc đã đầu tƣ rất lớn vào ngành c ng nghiệp NLMT, Nhật
Bản và

ức là hai quốc gi đứng đầu thế giới về ngành c ng nghiệp này. Ứng dụng

đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện n y củ NLMT là dùng để đun nƣớc nóng.
c hệ thống đun nƣớc nóng bằng NLMT đã đƣợc sử dụng r ng rãi ở nhiều nƣớc trên
thế giới.

ến n y, Trung Quốc đã lắp đặt nhiều hệ thống

NNMT, tƣơng đƣơng với

10,5GWth và đ ng là quốc gi dẫn đầu thế giới, chiến 6 % tổng c ng suất lắp đặt củ
toàn thế giới.
c chƣơng tr nh thúc đẩy sử dụng NLMT đ ng đƣợc mở r ng trên thế giới. Tây
B n Nh đã b n hành Luật Xây dựng có hiệu lực từ năm 2

6, bắt bu c c c tò nhà

mới xây phải lắp đặt trên m i nhà hệ thống pin mặt trời, hệ thống đun nƣớc nóng bằng
năng lƣợng mặt trời

NNMT), đặc biệt c c Trung tâm thƣơng mại, c o ốc văn phòng,

kh c sạn, bệnh viện, kho vận, trong đó quy định nƣớc nóng từ NLMT phải đ p ứng
đƣợc từ 3 - 7 % nhu cầu tùy thu c vào vùng khí hậu cụ thể. Ở Cape Town (Nam
Phi), Rome (Itali ) đòi hỏi c c tò nhà xây dựng mới phải lắp đặt hệ thống

NNMT

nhằm đảm bảo 3 - 5 % nhu cầu sử dụng hàng ngày…
Việt N m đã xây dựng trên 1

trạm qu n trắc để theo dõi c c dữ liệu về NLMT

trên khắp lãnh thổ Việt N m. Những số liệu qu n trắc củ c c trạm cho thấy, năng
lƣợng bức xạ trung b nh trên cả nƣớc mỗi ngày từ 4 - 6kWh/m2. Tiềm năng sử dụng
NLMT ở hầu khắp mọi vùng trong cả nƣớc.
ối với mỗi h gi đ nh riêng việc đun nƣớc nóng cho sinh hoạt b nh quân sinh
r khoảng 3 % tổng lƣợng khí thải O2 củ cả h gi đ nh tạo r . Th ng qu lắp đặt

HV: Nguyễn Đình Đáp

10

K16 Khoa học môi trường


thiết bị

NNMT, thiết bị có khả năng cung cấp khoảng 8 % nhu cầu năng lƣợng cần

thiết củ chúng t để đun nƣớc nóng. Theo ƣớc tính, cả nƣớc hiện có khoảng 2,5 triệu
b nh đun nƣớc nóng bằng điện có c ng suất trong khoảng 2 - 5kW, hàng năm tiêu tốn
khoảng 3,6 tỷ kWh điện năng và sẽ tăng nh nh theo tốc đ xây dựng nhà ở, dịch vụ và
du lịch.

ây là m t con số rất lớn cho thấy m t thị trƣờng đầy tiềm năng đối với thiết

bị b nh NNMT.
Việt N m có nhiều lợi thế ph t triển hệ thống sử dụng NLMT. Trong đó, hiệu
quả nhất là sử dụng NLMT vào đun nƣớc nóng, đặc biệt ở khu vực thành thị, nơi
ngƣời dân có đời sống c o và có điều kiện sử dụng dịch vụ. Cho đến n y mặc dù

khẳng định rằng sử dụng NLMT th y cho việc sử dụng điện để đun nƣớc nóng chủ
yếu cho sinh hoạt gi đ nh) là tiết kiệm điện năng và do đó đem lại c c lợi ích về kinh
tế và m i trƣờng, tuy nhiên vẫn chƣ có m t c ng tr nh thực nghiệm nào ít nhất là ở
Việt N m) đo đạc, đ nh gi hiệu quả thực tế củ c c lợi ích đó.
năng lƣợng, kinh tế củ thiết bị

c số liệu về tiết kiệm

NNMT đã cho trên c c tài liệu, tạp chí, trên c c

phƣơng tiện truyền th ng… đều chỉ là c c con số ƣớc tính “l thuyết”, đ tin cậy
không cao.
Việc ph t triển hệ thống

NNMT đ ng gặp m t số th ch thức khó khăn nhƣ:

chƣ có chiến lƣợc, chính s ch về tiết kiệm năng lƣợng; sự hỗ trợ củ Nhà nƣớc về
đầu tƣ nghiên cứu và ph t triển cũng nhƣ đầu tƣ về kinh phí, tr ng thiết bị kỹ thuật cho
sản xuất, ứng dụng thiết bị

NNMT còn hạn chế; những điều kiện triển kh i sử dụng

thiết bị cho từng khu vực cụ thể; sự kh ng đồng b giữ thiết kế b nh
c ng tr nh xây dựng; gi thành củ thiết bị

NNMT và các

NNMT còn c o hơn so với sử dụng thiết

bị truyền thống; c ch lắp đặt, vận hành thiết bị chƣ đƣợc phổ biến r ng rãi đến ngƣời

tiêu dùng…
Do vậy, cần có những nghiên cứu chi tiết, cụ thể về hiện trạng sử dụng, những
điều kiện p dụng, triển kh i, ph t triển sử dụng c c thiết bị

NNMT. Tính to n, đ nh

gi , phân tích hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và m i trƣờng làm cơ sở cho việc ph t triển thị
trƣờng và nâng c o hiệu quả sử dụng thiết bị NNMT.

HV: Nguyễn Đình Đáp

11

K16 Khoa học môi trường


Xuất ph t từ những thực tiễn nêu trên, với sự hỗ trợ củ Văn phòng tiết kiệm
năng lƣợng B

ng Thƣơng) và Trung tâm nghiên cứu năng lƣợng mới

ại học

B ch kho Hà N i), trong khu n khổ m t luận văn Thạc sĩ Kho học m i trƣờng, t c
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” đƣợc đặt r với mục đích t m hiểu những
điều kiện cơ bản để triển kh i, lắp đặt thiết bị nƣớc nóng mặt trời, tính to n hiệu quả
về mặt tiết kiệm điện năng, kinh tế và m i trƣờng củ việc sử dụng thiết bị nƣớc nóng
mặt trời dự trên cơ sở kho học và thực nghiệm. Từ đó, kiến nghị c c giải ph p ph t
triển sử dụng c c thiết bị đun nƣớc nóng mặt trời ở Hà N i nói riêng và Việt N m nói

chung.
c n i dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu những đặc điểm kỹ thuật củ thiết bị

NNMT, những yếu tố ảnh

hƣởng đến hiệu suất củ thiết bị
- Nghiên cứu, đ nh gi c c tiềm năng, đặc thù củ Hà N i trong sử dụng thiết bị
NNMT
- iều tr , đ nh gi hiện trạng sử dụng thiết bị NNMT tại Hà N i.
- Tiến hành thực nghiệm lắp đặt 5 hệ thống

NNMT có c c b đo ghi tự đ ng;

đo đạc, thu thập, xử l số liệu và đ nh gi hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng, hiệu quả kinh
tế và m i trƣờng củ củ c c hệ thống.
- ề xuất m t số giải ph p ph t triển sử dụng thiết bị NNMT phục vụ sinh hoạt.
Việc thực hiện đề tài nhằm giải đ p c c câu hỏi nêu trên với những phân tích đầy
đủ bài to n kinh tế m i trƣờng củ việc sử dụng thiết bị

NNMT cho ngƣời dân thành

phố Hà N i.
Hiện n y, c c giải ph p c ng nghệ thân thiện với m i trƣờng và tiết kiệm năng
lƣợng đ ng đƣợc qu n tâm, đầu tƣ nghiên cứu. Trong đó, sử dụng c c nguồn năng
lƣợng t i tạo là giải ph p cứu c nh cho th ch thức khủng hoảng năng lƣợng và biến
đổi khí hậu toàn cầu, là m t mũi tên nhằm tới h i mục tiêu củ sự ph t triển bền vững.

HV: Nguyễn Đình Đáp

12

K16 Khoa học môi trường


Sử dụng năng lƣợng t i tạo là xu hƣớng đƣợc chọn lự chọn để ph t triển nguồn năng
lƣợng mới cho thế kỷ 21.

HV: Nguyễn Đình Đáp

13

K16 Khoa học môi trường


ƢƠN 1. TỔN QU N VỀ NĂN LƢỢN MẶT TRỜ VÀ
Á

ÔN N

Ệ NĂN LƢỢN MẶT TRỜ

1.1. NGUỒN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Bức xạ mặt trời
Mặt trời là quả cầu lử khổng lồ với đƣờng kính trung b nh khoảng 1,36 triệu km
và ở c ch Tr i đất khoảng 15 triệu km. Theo c c số liệu hiện có, nhiệt đ bề mặt củ
mặt trời vào khoảng 6.

K, trong khi đó nhiệt đ ở vùng trung tâm củ mặt trời rất

lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K. Mặt trời đƣợc xem là m t lò phản ứng nhiệt
hạch hoạt đ ng liên tục. Do lu n lu n bức xạ năng lƣợng vào trong vũ trụ nên khối
lƣợng củ mặt trời sẽ giảm dần. iều này dẫn đến kết quả là đến m t ngày nào đó mặt
trời sẽ th i kh ng tồn tại nữ . Tuy nhiên, do khối lƣợng củ mặt trời v cùng lớn, vào
khoảng 1,991.1030kg, nên thời gi n để mặt trời còn tồn tại cũng v cùng lớn. Bên cạnh
sự biến đổi nhiệt đ rất đ ng kể theo hƣớng kính, m t điểm đặc biệt kh c củ mặt trời
là sự phân bố khối lƣợng rất kh ng đồng đều. Ví dụ, khối lƣợng riêng ở vị trí gần tâm
mặt trời vào khoảng 1

g cm3, trong khi đó khối lƣợng riêng trung b nh củ mặt trời

chỉ vào khoảng 1,41g cm3 [1].
c kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng c ch từ mặt trời đến Tr i đất kh ng
hoàn toàn ổn định mà d o đ ng trong khoảng ±1,7% xo y qu nh gi trị trung b nh đã
tr nh bày ở trên. Trong kỹ thuật NLMT, ngƣời t rất chú

đến kh i niệm hằng số mặt

trời Sol r onst nt). Về mặt định nghĩ , hằng số mặt trời đƣợc hiểu là lƣợng bức xạ
mặt trời (BXMT) nhận đƣợc trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển
và thẳng góc với ti tới. Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có m t gi trị
cụ thể nào đó, c c gi trị này có thể kh c nh u tuy nhiên sự s i biệt kh ng nhiều.
Trong tài liệu này t thống nhất lấy gi trị hằng số mặt trời là 1353W m2[1].
ó 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến
trên mặt đất. Trong mục này t cần phân biệt

nghĩ củ c c k hiệu đƣợc dùng để

biểu diễn gi trị củ lƣợng bức xạ khảo s t là G, I và H. ơn vị củ G là W m2, đơn vị

HV: Nguyễn Đình Đáp

14

K16 Khoa học môi trường


củ I và H là J m2, trong đó thời gi n tƣơng ứng với c c k hiệu I và H lần lƣợt là giờ
và ngày. Kh i niệm ngày trong kỹ thuật NLMT đƣợc hiểu là khoảng thời gi n 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 Extr

Terrestri l Sol r

R di tion) có gi trị kh ổn định ứng với m t vị trí khảo s t cụ thể và có phƣơng rất rõ
ràng, đó là đƣờng nối từ mặt trời đến vị trí khảo s t.

c khảo s t thực tế cho thấy - về

mặt gi trị - BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển cũng có những biến đổi nhẹ. ó 2 l
do gây r sự biến đổi này: sự biến đổi lƣợng bức xạ xuất ph t từ mặt trời do c c hiện
tƣợng diễn r trong n i b mặt trời và sự biến đổi củ khoảng c ch từ mặt trời đến Tr i
đất.

c nghiên cứu cho thấy, l do thứ nhất chỉ gây ảnh hƣởng tối đ kh ng qu

±1,5% , còn l do thứ h i có thể gây ảnh hƣởng đến ±3%. Tuy vậy, do nhiều nguyên
nhân kh c nh u, đặc biệt là do sự khó khăn và phức tạp củ hiện tƣợng, c c kết quả
nghiên cứu về mức đ gây ảnh hƣởng củ l do thứ nhất kh ng hoàn toàn giống nh u.

ối với c c bài to n kỹ thuật, có thể xem cƣờng đ bức xạ ph t r từ mặt trời là ổn
định và BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển là BXMT đến trên mặt đất nhƣng kh ng
tính đến ảnh hƣởng củ bầu khí quyển. Gọi Gon là lƣợng BXMT đến m t mặt phẳng có
diện tích 1m2 đặt thẳng góc với ti bức xạ và ở bên ngoài bầu khí quyển, t có:
Gon = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)]

(1)

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

(2)

Trong đó, θ là góc tới củ ti trực xạ là góc hợp bởi ti trực xạ và ph p tuyến
củ bề mặt khảo s t); θz là góc tới đối với c c bề mặt ng ng

HV: Nguyễn Đình Đáp

15

K16 Khoa học môi trường


Gọi Ho (J/m2) là lƣợng BXMT đến mặt phẳng nằm ng ng có diện tích 1m2 đặt
bên ngoài bầu khí quyển trong thời gi n 1 ngày, t viết đƣợc:
Ho = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].(Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dt

Trong đó
δ: Góc lệnh củ mặt trời góc tạo bởi ti trực xạ và mặt phẳng xích đạo củ Tr i
đất;
φ: Góc phƣơng vị củ bề mặt khảo s t là góc tạo bởi h nh chiếu lên mặt phẳng
nằm ng ng củ ph p tuyến củ bề mặt khảo s t và phƣơng n m)
ω: Góc giờ củ mặt trời là góc tạo bởi ti trực xạ và đƣờng nối khải s t với vị trí
c o nhất củ mặt trời trong ngày)
Khi đặt dt = a.dω, ta có:
Ho = a.GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].

osδ. osφ. osω+Sinδ.Sinφ).dω

Trong c c biểu thức trên, t có đơn vị là giây, ω có đơn vị là đ và biến đổi trong
khoảng từ -ωS cho đến +ωS trong đó ω m ng dấu âm nếu trƣớc giờ trƣ và m ng dấu
dƣơng nếu s u giờ trƣ ), tức là từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn. S u khi
lấy tích phân, thu đƣợc: Ho = 2a.A.B

(3)

trong đó:
a = 3600.(180/15/), với là góc c o củ mặt trời
A = GSC.[1 + 0,033.Cos(360.n/365)]
B = Sinδ.Sinφ.ωS.(/180) + Cosδ.Cosφ.SinωS
Bên cạnh gi trị Ho, trong c c tính to n về BXMT ngƣời t cũng rất qu n tâm đến
gi trị Hom trong đó Hom là lƣợng BXMT đến trên mặt phẳng nằm ng ng có diện tích
1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển trong thời gi n 1 ngày nhƣng là ngày điển h nh củ
tháng khảo sát). Theo định nghĩ , ngày điển h nh củ m t th ng nào đó là ngày mà Ho
có gi trị gần nhất so với gi trị bức xạ trung b nh củ th ng đó. Bảng 1.1 dƣới đây

HV: Nguyễn Đình Đáp

16

K16 Khoa học môi trường


tr nh bày cụ thể ngày điển h nh củ mỗi th ng do Klein đề nghị) và c c gi trị δ, n
tƣơng 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]

Tƣơng tự nhƣ c ch tính H0, có thể sử dụng c c c ng thức đã tr nh bày ở trên để
x c định lƣợng BXMT đến m t mặt phẳng nằm ng ng có diện tích 1m2 đặt bên ngoài
bầu khí quyển trong thời gi n 1giờ k hiệu là Io). Th y cận dƣới và cận trên củ dấu
tích phân bằng ω1 và ω2 (thay vì -ωS và +ωS) s o cho ω2 - ω1 = 1 giờ. Tổng qu t hơn,

HV: Nguyễn Đình Đáp

17

K16 Khoa học môi trường


khi cần x c định lƣợng BXMT trong m t khoảng thời gi n bất kỳ, có thể th y đổi c c
cận củ dấu tích phân s o cho hiệu số ω2 - ω1 đúng bằng khoảng thời gi n khảo s t.
Các tia BXMT về nguyên tắc có bƣớc sóng  gần nhƣ là từ

cho đến . Tuy

nhiên, do cƣờng đ c c ti BXMT phân bố rất kh ng đồng đều theo bƣớc sóng và do
phần lớn c c ti BXMT tập trung trong vùng có bƣớc sóng ngắn, cho nên thực tế chỉ
qu n tâm đến c c ti bức xạ có bƣớc sóng  trong khoảng từ ,24m đến 5 m.
ƣờng đ củ c c ti bức xạ có bƣớc sóng  < 0,24m và  > 50m thật sự kh ng
đ ng kể [1].
Qu ng phổ củ BXMT đƣợc tr nh bày trên h nh 1.1; Số liệu về sự phân bố
BXMT theo bƣớc sóng đƣợc đƣ r trong bảng 1.2, trong đó:
Gsc, - cƣờng đ bức xạ đơn sắc, W/m2
f0- - tỉ số giữ lƣợng bức xạ ứng với bƣớc sóng trong khoảng từ

đến  và hằng

số mặt trời.
Bảng 1.2. Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng
, m

GSC,

f0-

, m

GSC,

f0-

, m

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

18

GSC,

f0-

K16 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

19

K16 Khoa học môi trường


ƣờng đ 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

Bƣớc sóng

2,4

2,6

Nguồn:
[1]

, m

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 hƣởng củ bầu khí quyển và c c
vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên c c ti BXMT sẽ phải chịu hiện tƣợng hấp
thụ và phản xạ. Về cơ bản, hiện tƣợng hấp thụ c c ti BXMT là do z n và hơi nƣớc,
mức đ hấp thụ kh c nh u tùy theo bƣớc sóng. Ứng với c c ti cực tím có bƣớc sóng
nhỏ hơn ,29m th khả năng hấp thụ c c ti bức xạ củ

z n rất mạnh, ứng với c c ti

có bƣớc sóng lớn hơn ,29m th khả năng hấp thụ củ

z n giảm xuống đ ng kể, khi

bƣớc sóng vƣợt qu
nữ

,35m th

z n kh ng còn khả năng hấp thụ c c ti bức xạ đƣợc

tuy nhiên, ở vùng lân cận bƣớc sóng ,6m th

z n vẫn còn khả năng hấp thụ

m t ít). Trong khi đó, hơi nƣớc có khả năng hấp thụ mạnh c c ti hồng ngoại.

ặc

biệt, ở trong vùng lân cận c c bƣớc sóng 1m, 1,4m và 1,8m th khả năng hấp thụ
c c ti hồng ngoại củ hơi nƣớc rất mạnh. hính hiện tƣợng hấp thụ làm giảm cƣờng
đ củ c c ti bức xạ và làm cho qu ng phổ củ c c ti bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại,
có thể nói c c ti bức xạ có bƣớc sóng lớn hơn 2,3m rất khó đến đƣợc bề mặt Tr i đất
(trong vùng này, c c ti hồng ngoại kh ng chỉ bị hấp thụ bởi hơi nƣớc mà còn bởi khí
CO2) . ùng với hiện tƣợng hấp thụ, hiện tƣợng phản xạ làm m t b phận củ ti bức
xạ bị đổi phƣơng, do đó phƣơng củ thành phần bị phản xạ kh ng rõ ràng. Kết quả củ

HV: Nguyễn Đình Đáp

20

K16 Khoa học môi trường


c c hiện tƣợng vừ nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cƣờng đ củ c c ti bức xạ
tổng càng giảm. M t c ch tổng qu t, ngƣời t xem lƣợng bức xạ tổng đi vào bầu khí
quyển Terrestri l Sol r R di tion h y Tot l Sol r R di tion) để đến m t bề mặt khảo
s t nào đó trên mặt đất b o gồm h i thành phần là trực xạ Be m R di tion) và khuếch
t n Diffuse R di tion). Thành phần trực xạ có phƣơng rõ ràng, đó là đƣờng thẳng nối
từ mặt trời đến đị điểm khảo s t. Trong khi đó, đối với thành phần khuếch t n, việc

x c định phƣơng hƣớng và cƣờng đ củ thành phần khuếch t n là kh phức tạp.
c khảo s t cho thấy, vào những ngày bầu trời trong s ng, do sự hấp thụ bởi c c
phân tử xy và ôzôn có trong bầu khí quyển ở tầm c o, bƣớc sóng nhỏ nhất củ c c ti
bức xạ đến bề mặt Tr i đất chỉ vào khoảng ,29m. Sự suy giảm cƣờng đ c c ti bức
xạ mặt trời đến bề mặt Tr i đất trong trƣờng hợp này là do b nguyên nhân s u đây:
- Sự hấp thụ có tính chọn lọc theo bƣớc sóng bởi hơi nƣớc, c c phân tử xy, z n
và CO2.
- Sự phân t n R yleigh bởi c c phân tử củ c c loại chất khí và c c hạt bụi lơ
lửng có trong bầu khí quyển kích thƣớc củ c c thành phần này rất nhỏ so với bƣớc
sóng củ c c ti bức xạ), kết quả củ sự phân t n này là có khoảng phân nử c c ti
bức xạ bị phân t n quay trở lại kh ng gi n, khoảng phân nử còn lại đến bề mặt đất
theo rất nhiều phƣơng kh c nh u.
- Sự phân t n Mie trong trƣờng hợp này kích thƣớc củ c c thành phần làm phân
t n c c ti bức xạ lớn hơn bƣớc sóng củ ti bức xạ) làm m t phần c c ti bức xạ bị
đổi hƣớng và m t phần kh c bị chính c c thành phần này hấp thụ.
Vào những ngày có mây mù, cƣờng đ củ c c ti trực xạ bị giảm đi đ ng kể.
c qu n s t thực tế cho thấy, m t b phận c c ti bức xạ sẽ bị phản xạ ngƣợc vào
kh ng gi n do c c đ m mây mù, m t b phận kh c bị c c đ m mây mù hấp thụ và b
phận còn lại sẽ đi đến mặt đất với tính chất củ c c ti khuếch t n.
T gọi tỉ lệ giữ tổng c c ti bức xạ bị phản xạ ngƣợc trở lại kh ng gi n do nhiều
nguyên nhân kh c nh u do mây mù, do mặt đất, do bụi và c c chất khí có trong bầu

HV: Nguyễn Đình Đáp

21

K16 Khoa học môi trường


khí quyển) và tổng c c ti bức xạ đến toàn b Tr i đất là

quyển - mặt đất, gi trị củ

lbedo củ hệ thống khí

lbedo vào khoảng 3 %.

ể đơn giản hó việc x c định c c đại lƣợng đặc trƣng củ thành phần khuếch
t n, Hottel và Woertz giả sử thành phần khuếch t n phân bố đồng đều trong khắp bầu
trời. Giả thiết này hầu nhƣ chỉ phù hợp trong trƣờng hợp bầu trời có sƣơng mù, hoặc bị
che phủ bởi mây phân bố đều trong bầu trời. Vào những ngày trời trong

le r Sky),

hầu hết những ti bức xạ khuếch t n có phƣơng gần giống với phƣơng củ ti trực xạ.
a) Xác định cường độ bức xạ tổng đến bề mặt nghiêng
Gọi:
G, GT - cƣờng đ bức xạ tổng đến mặt phẳng nằm ng ng và đến bề mặt nghiêng
đ ng khảo s t.
Gb, GbT - cƣờng đ ti trực xạ đến mặt phẳng nằm ng ng và đến bề mặt nghiêng
đ ng khảo s t.
Gd, GdT - cƣờng đ thành phần khuếch t n đến mặt phẳng nằm ng ng và đến bề
mặt nghiêng đ ng khảo s t.
Ta có:
G = G b + Gd

(4)

GT = GbT + GdT

(5)

R = GT/G

(6)

Rb = GbT/Gb

(7)

Rd = GdT/Gd

(8)

ặt:

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

(9)

Trong biểu thức 24), Rb có thể đƣợc tính nhƣ s u:

HV: Nguyễn Đình Đáp

22

K16 Khoa học môi trường


Rb = GbT/Gb = Cosθ/CosθZ

(10)

Bên cạnh thành phần khuếch t n do bầu trời, còn có thành phần phản xạ do bề
mặt đất, thành phần này có gi trị kh đ ng kể ở những nơi bề mặt đất bị tuyết phủ.
Liu và Jord n xem thành phần này nhƣ lƣợng bức xạ tổng đi đến m t bề mặt nghiêng
bất kỳ b o gồm b thành phần là thành phần trực xạ, thành phần khuếch t n bầu trời và
thành phần phản xạ từ mặt đất.
Gọi  là góc nghiêng củ bề mặt nghiêng đ ng khảo s t, gi trị 1+ os) 2 đƣợc
hiểu là hệ số nh n bầu trời View F ctor to the Sky) và gi trị 1-Cos) 2 đƣợc hiểu là
hệ số nh n mặt đất View F ctor to the Ground) củ bề mặt nghiêng này. t có:
GT = GbRb + Gd.(1+Cos)/2 + (Gd + Gb)..(1-Cos)/2

(11)

Trong đó  là hệ số phản xạ củ mặt đất, Liu và Jord n đề nghị lấy  = ,2 đối
với bề mặt đất kh ng có tuyết phủ và lấy  = ,7 đối với bề mặt đất có tuyết phủ. Kết
hợp c c biểu thức 4), (6) và (11), ta có:
R = (Gb/G).Rb + (Gd/G).(1+Cos)/2 + .(1-Cos)/2

(12)

b) Lượng hóa mức độ trong sáng của bầu trời
Theo những giả thiết đã nêu về sự phân bố và hƣớng củ ti khuếch t n, vào
những ngày bầu trời trong s ng t xem nhƣ R = Rb, còn vào những ngày bầu trời bị
mây và sƣơng mù t xem nhƣ Rd = 1. Rõ ràng, mức đ khuếch t n và hấp thụ c c ti
bức xạ mặt trời th y đổi theo thời gi n do trạng th i và đặc điểm củ bầu khí quyển
kh ng hoàn toàn ổn định. hính v vậy t cần phải chuẩn hó kh i niệm trong s ng củ
bầu trời. Gọi b là hệ số xuyên qu bầu khí quyển củ c c ti trực xạ, t có:
b = Gb/Go = ao + a1.e(-k/Cosθz)

c nhà nghiên cứu đã đề xuất c ch x c định

(13)
o,

a1 và k ứng với bầu trời đạt độ

trong sáng tiêu chuẩn có tầm nhìn xa 23km nhƣ s u:
a0S = 0,4237 – 0,00821.(6 – A)2

(14)

a1S = 0,5055 + 0,00595.(6,5 – A)2

(15)

HV: Nguyễn Đình Đáp

23

K16 Khoa học môi trường


kS = 0,2711 + 0,01858.(2,5 – A)2

(16)

trong đó:
A - đ c o củ ngƣời qu n s t, km;
Gb - thành phần tia trực xạ xuyên qu bầu trời có đ trong s ng tiêu chuẩn đến

1m2 bề mặt nằm ng ng.
Công thức 13) sử dụng đƣợc cho bất kỳ gi trị nào củ θZ ứng với đ c o khảo
s t nhỏ hơn 2,5km. Nếu vị trí khảo s t thu c vùng nhiệt đới th 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 x c định thành phần ti trực xạ xuyên qu bầu trời có đ trong
s ng tiêu chuẩn, cần phải x c định cả thành phần khuếch t n tƣơng ứng để có thể tính
đƣợc gi trị bức xạ tổng. Gọi Gd là thành phần ti khuếch t n xuyên qu bầu trời có đ
trong s ng tiêu chuẩn đến 1m2 bề mặt nằm ng ng, Liu và Jord n đã đề nghị c ch x c
định hệ số xuyên qu bầu khí quyển d củ c c ti khuếch t n ứng với bầu trời có đ
trong s ng tiêu chuẩn nhƣ s u:
d = Gd/Go = 0,271 – 0,2939.b

(20)

Trong đó, b là hệ số xuyên qu bầu khí quyển củ c c ti trực xạ trong c ng
thức 13)
Tuy nhiên, việc sử dụng c c hệ số đã nêu kh ng có tính thực tế c o do đ trong
s ng củ bầu trời rất kh c nh u tùy theo đị điểm và thời điểm khảo s t, do vậy

phƣơng ph p đã nêu chỉ có gi trị th m khảo.
ần phải x c định rõ, việc x c định cƣờng đ bức xạ mặt trời đến trên mặt đất là
bài to n kh ng hề đơn giản. Nói chung, tùy vào từng trƣờng hợp cụ thể mà ngƣời t có
thể t m kiếm phƣơng ph p thích hợp. Th ng thƣờng, trong c c thí nghiệm kho học
ngƣời t thƣờng phải trực tiếp đo cƣờng đ bức xạ mặt trời, còn trong c c nghiên cứu

HV: Nguyễn Đình Đáp

24

K16 Khoa học môi trường


đ nh gi tiềm năng ngƣời t thƣờng phải xây dựng phƣơng ph p m phỏng dự trên
c c cơ sở dữ liệu đã có.
1.1.2. Nguồn gốc năng lƣợng mặt trời
NLMT có vai trò qu n trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và ph t triển củ c c yến
tố sự sống trên tr i đất.
Trƣớc hết, NLMT là nguồn năng lƣợng khổng lồ có tính t i sinh. NLMT đƣợc
sinh r do c c phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp c c hạt nhân đồng vị Hydro H) để tạo
ra c c hạt nhân Heli He) liên tục xảy r trên mặt trời .

ng suất bức xạ củ mặt trời

là 3,865.1026W, tƣơng đƣơng với năng lƣợng đốt ch y hết 1,32.1
chuẩn. Nhƣng phần NLMT đến bề mặt tr i đất chỉ là 17,57.1
năng lƣợng đốt ch y hết 6.1

6

16

16

tấn th n đ tiêu

J s h y tƣơng ứng với

tấn th n đ .

Ngoài khí quyển tr i đất h y còn gọi là ngoài vũ trụ) mật đ

NLMT là

1.353W/m2. Nhƣng khi tới mặt đất c c ti mặt trời phải đi qu lớp khí quyển tr i đất
chiều dày khoảng 16km) nên bị mất m t khoảng 3 % do c c hiện tƣợng hấp thụ, t n
xạ bởi c c phân tử khí, hơi nƣớc... củ lớp khí quyển. V vật trên bề mặt tr i đất, mật
W m2. Mặc dù ở c c vĩ đ kh c nh u th

đ bức xạ mặt trời chỉ còn khoảng 1.

NLMT kh c nh u, nhƣng nh n chung NLMT phân bố khắp trên bề mặt tr i đất. Ở đâu
cũng có thể kh i th c và ứng dụng nguồn năng lƣợng này.
Bản chất củ BXMT là sóng điện từ có phổ bƣớc sóng trải từ 1

-10

m đến

1014m, trong đó mắt ngƣời có thể nhận biết đƣợc giải sóng có bƣớc sóng từ ,4 đến

0,7m và đƣợc gọi là ng s ng nh n thấy vùng khả kiến). Vùng bức xạ điện từ có
bƣớc sóng nhỏ hơn ,4m đƣợc gọi là vùng sóng tử ngoại. òn vùng có bƣớc sóng lớn
hơn ,7m đƣợc gọi là vùng hồng ngoại. Do bản chất củ sóng điện từ nên NLMT là
nguồn năng lƣợng kh ng có ph t thải, kh ng gây

nhiễm m i trƣờng h y đƣợc gọi là

nguồn năng lƣợng sạch.
Các thành phần củ BXMT trên mặt đất:

HV: Nguyễn Đình Đáp

25

K16 Khoa học môi trường


Ngoài lớp khí quyển tr i đất bức xạ mặt trời chỉ có m t thành phần.

ó là c c ti

mặt trời đi thẳng ph t r từ mặt trời. Nhƣng khi tới mặt đất, do c c hiện tƣợng t n 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 c c ti mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất.
Nhờ c c ti trực xạ này mà t có thể nh n thấy mặt trời;
2)- Thành phần nhiễu h y t n xạ gồm c c ti mặt trời tới mặt đất từ mọi phƣơng
trên bầu trời do hiện tƣờng t n xạ củ ti mặt trời trên c c phân tử khí, hơi nƣớc, c c
hạt bụi,…. Nhờ c c ti t n xạ này mà chúng t vẫn có nh s ng ng y cả những ngày
mây mù, kh ng thể nh n thấy mặt trời, ở trong nhà, dƣới bóng cây,…;
Tổng h i thành phần trên đƣợc gọi là tổng xạ củ bức xạ mặt trời ở mặt đất.

c

Trạm Khí tƣợng thƣờng đo c c thành phần này nhiều lần trong m t ngày và liên tục
trong nhiều năm để có số liệu đ nh gi tiềm năng NLMT.
Tỷ lệ củ c c thành phần trực xạ và t n xạ trong tổng xạ phụ thu c vào điều kiện
tự nhiên và trạng th i thời tiết củ đị điểm và thời điểm qu n s t h y đo đạc. Ví dụ ở
nƣớc t , trong c c th ng mù H , từ th ng 5 đến th ng 8, th thành phần trực xạ chiếm
ƣu thế trên 5 %), còn trong mù

ng, từ th ng 12 đến th ng 2 năm s u thành phần

t n xạ lại chiếm ƣu thế.
3)- Thành phần phản xạ từ mặt nền ở nơi qu n s t h y nơi đặt b thu NLMT, nó
phụ thu c vào hệ số phản xạ củ mặt nền và tổng xạ tới. Thành phần này chỉ đƣợc
phân biệt khi thiết kế, tính to n c c b thu NLMT. Trong trƣờng hợp chung nó là m t
phần rất nhỏ trong thành phần bức xạ t n xạ.
1.2. TỔNG QU N

Á

ÔNG NGHỆ KH I THÁ

V

SỬ DỤNG NĂNG

LƢỢNG MẶT TRỜI
1.2.1. Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lƣợng mặt trời
NLMT trung b nh trên bề mặt quả đất nằm trong khoảng 15 đến 3

W m2 h y

từ 3,5 đến 7, kWh m2 ngày.

HV: Nguyễn Đình Đáp

26

K16 Khoa học môi trường


NLMT từ lâu đã đƣợc con ngƣời kh i th c sử dụng bằng c c phƣơng ph p tự
nhiên, trực tiếp và đơn giản nhƣ phơi sấy quần o, vật dụng; n ng, lâm, hải sản; sƣởi
ấm…). Tuy nhiên c ch sử dụng NLMT theo c c phƣơng c ch tự nhiên nói trên có hiệu
quả thấp và hoàn toàn thụ đ ng
NLMT có thể sử dụng dƣới dạng nhiệt h y biến đổi thành điện.

iện từ mặt trời

là dạng điện năng đƣợc tạo r khi biến đổi NLMT thành điện năng nhờ hiệu ứng qu ng
điện photovolt ic effect, viết tắt PV) m t c ch trực tiếp, hoặc nhờ c c hệ thống nhiệt
điện th ng qu hiệu ứng h i tụ ti mặt trời concentr ted sol r power, SP) m t c ch
gi n tiếp.

c hệ thống SP sử dụng c c thấu kính h y c c gƣơng h i tụ và hệ thống

“dõi theo mặt trời” sol r tr cking systems) để h i tụ m t diện tích lớn c c ti mặt trời
vào m t diện tích nhỏ hơn gọi là điểm h y đƣờng h i tụ). Nguồn nhiệt h i tụ này s u
đó đƣợc sử dụng để ph t điện.

c hệ thống này gọi là hệ nhiệt điện mặt trời.

òn c c

hệ thống PV biến đổi nh s ng thành điện năng khi dùng hiệu ứng qu ng điện đƣợc
gọi là hệ thống điện PV.
Ứng dụng qu n trọng đầu tiên củ pin mặt trời là nguồn dự phòng b ck-up) cho
về tinh nhân tạo Vanguard I vào năm 1958, nó đã cho ph p truyền tín hiệu về quả đất
hơn m t năm s u khi nguồn ắc qui điện hó đã bị kiệt. Sự hoạt đ ng thành c ng này
củ pin mặt trời trên vệ tinh đã đƣợc lặp lại trong nhiều về tinh kh c củ Liên X và
Mỹ. Vào cuối những năm 196 , PV đã trở thành nguồn năng lƣợng đƣợc đƣợc sử dụng
riêng cho về tinh. PV đã có m t v i trò rất qu n trọng c ng nghệ vệ tinh thƣơng mại và
nó vẫn giữ vị trí đó đối với hạ tầng viễn thong ngày n y.
Nhờ sự ph t triển củ kho học c ng nghệ nên hiện n y con ngƣời đã biết kh i
th c NLMT m t c ch hiệu quả và chủ đ ng hơn nhờ c c c ng nghệ hiện đại.
Nhà m y nhiệt điện mặt trời thƣơng mại đầu tiên đƣợc xây dựng trong những
năm 198 . Nhà m y có c ng suất lớn nhất là 354MW xây dựng tại S mạc Moj ve ở
liforni

Mỹ).

c nhà m y lớn kh c nhƣ nhà m y Solnov

15 MW) và

nd sol

(100MW), cả h i đều ở Tây B n Nh [4 .

HV: Nguyễn Đình Đáp

27

K16 Khoa học môi trường