Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời của tỉnh thanh hóa và khả năng hòa lưới điện quốc gia

NGUYỄN HOÀNG SƠN

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

NGUYỄN ĐÌNH THÁI

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
HỆ THỐNG ĐIỆN

CỦA TỈNH THANH HÓA VÀ KHẢ NĂNG HÒA
LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
HỆ THỐNG ĐIỆN

2009 - 2011
Hà Nội – Năm 2011


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

NGUYỄN ĐÌNH THÁI

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA
TỈNH THANH HÓA VÀ KHẢ NĂNG HÒA
LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN LÂN TRÁNG
Hà Nội – Năm 2011


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................7
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................9
CHƯƠNG 1..............................................................................................................11
TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.....................11
1.1. Cấu trúc của mặt trời ..................................................................................12
1.2. Phản ứng hạt nhân trong mặt trời .............................................................14
1.2.1. Phản ứng tổng hợp hạt nhân Hêli .......................................................14
1.2.2. Phản ứng tổng hợp Cácbon và các nguyên tố khác...........................14
1.3. Trái đất và khí quyển của trái đất .............................................................15
1.4. Bức xạ mặt trời.............................................................................................20
1.5. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam.....24
CHƯƠNG 2..............................................................................................................28

PIN MẶT TRỜI ......................................................................................................28
2.1. Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời ......................................................28
2.1.1. Hiệu ứng quang điện ............................................................................28
2.1.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện.....................................31
2.1.3. Cấu tạo pin mặt trời .............................................................................32
2.2. Thiết kế hệ thống điện mặt trời ..................................................................35
2.2.1. Ghép nối tiếp các modul pin mặt trời.................................................36
2.2.2. Ghép song song các modul pin mặt trời .............................................39
2.2.3. Các thông số kĩ thuật của modul pin mặt trời ...................................43
2.2.4. Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời ................43
2.3. Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời ..................................................46
2.3.1. Lựa chọn sơ đồ khối .............................................................................46
2.3.2. Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời.................................................46
2.3.3. Các bộ điều phối năng lượng...............................................................50
CHƯƠNG 3..............................................................................................................55

1


Luận văn cao học

HV: Nguyễn Đình Thái

NH GI TIM NNG NNG LNG MT TRI....................................55
CA TNH THANH HểA .....................................................................................55
3.1. c im t nhiờn ........................................................................................55
3.1.1. V trớ a lý ............................................................................................55
3.1.2. a hỡnh .................................................................................................56
3.1.3. Khớ hu thi tit....................................................................................56
3.1.4. Ti nguyờn v mụi trng ...................................................................57

3.3. Hin trng cỏc ngun cung cp in nng.................................................58
3.4. Nhu cu in nng ca tnh Thanh Hoỏ....................................................59
3.5. ỏnh giỏ tim nng nng lng mt tri ca tnh Thanh Hoỏ ...............61
3.5.1. o lng bc x mt tri.....................................................................61
3.5.2. Phng phỏp ỏnh giỏ tim nng nng lng mt tri ...................68
3.5.3. ỏnh giỏ tim nng nng lng mt tri cho mt s a phng ca
tnh Thanh Hoỏ...............................................................................................70
3.5.4. ỏnh giỏ tim nng nng lng mt tri cho mt s tnh lõn cn
tnh Thanh Hoỏ...............................................................................................72
CHNG 4..............................................................................................................84
NG DNG CHNG TRèNH RETScreen TNH TON D N NNG
LNG MT TRI TI TNH THANH HểA .................................................84
4.1.Gii thiu chung v chng trỡnh RETScreen...........................................84
4.2. Chng trỡnh RETScreen v cỏc ng dng ca nú..................................86
4.2.1. Cỏch thc hin chng trỡnh...............................................................86
4.2.2. Quy trỡnh nm bc ca chng trỡnh RETScreen .........................87
4.2.3. C s d liu ca chng trỡnh RETScreen ......................................90
4.3. Tớnh toỏn thit k d ỏn pin mt tri vi cụng sut 500kW cung cp
in lờn li in ca thnh ph Thanh Húa...................................................94
4.4. Kt lun.......................................................................................................114
CHNG 5............................................................................................................115
H THNG IN MT TRI NI LI ......................................................115
5.1. Cỏc mụ hỡnh h thng in mt tri ........................................................115
5.2. H thng in mt tri khụng ni li ....................................................116
5.2.1. Nguyờn lý c bn ................................................................................116

2


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

5.2.2. Nguyên lý thiết kế và sơ đồ mạch điện .............................................117
5.3. Hệ thống điện mặt trời nối lưới ................................................................119
5.3.1. Nguyên lý cơ bản ................................................................................119
5.3.2. Nguyên lý thiết kế và sơ đồ mạch điện .............................................119
5.4. Hệ thống điện mặt trời nối lưới có pin dự phòng ...................................122
5.4.1. Khái niệm cơ bản................................................................................122
5.4.2. Nguyên lý thiết kế và sơ đồ mạch điện .............................................122
5.5. Bộ đổi điện nối lưới trong hệ thống điện mặt trời ..................................124
5.6. Ứng dụng chương trình PSS/ADEPT tìm vị trí đấu nối của nhà máy
điện mặt trời vào lưới phân phối.....................................................................126
5.6.1. Tổng quan về chương trình PSS/ADEPT.........................................126
5.6.2. Mô phỏng nhà máy điện mặt trời đấu nối vào lưới phân phối 10kV
xã Quảng Thành trên PSS/ADEPT ............................................................130
KẾT LUẬN ............................................................................................................137
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................139
PHỤ LỤC ...............................................................................................................140

3


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời của
tỉnh Thanh Hóa và khả năng hòa lưới điện quốc gia” là công trình nghiên cứu

của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ luận văn nào trước đây.
Hà Nội, tháng 9 năm 2011
Tác giả luận văn
Nguyễn Đình Thái

4


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DC

Điện một chiều

AC

Điện xoay chiều

NLMT

Năng lượng mặt trời

GTI

Grid Tie Inveter - Bộ đổi điện nối lưới

PV

Photovoltaic - Quang điện

PWM

Pulse Width Modulation - Điều chế độ rộng xung

IGBT

Insulated Gate Bipolar Tranzitor – Tranzitor có cực điều khiển cách ly

MOSFET

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tranzitor – Tranzitor trường

5


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1

Nhu cầu điện năng tỉnh Thanh Hóa đến năm 2015

Bảng 3.2

Số giờ nắng trung bình hàng tháng và năm tại Thanh Hoá và một số
tỉnh khác

Bảng 3.3

Lượng bức xạ tổng cộng lý tưởng trong tháng tại Thanh Hóa

Bảng 3.4

Lượng bức xạ tổng cộng thực tế trong tháng tại Thanh Hóa

Bảng 3.5

Tiềm năng năng lượng mặt trời của một số địa phương tại Tỉnh Thanh
Hóa

Bảng 3.6

Tổng bức xạ trung bình hàng tháng và hàng năm của tỉnh Nghệ An.

Bảng 3.7

Tổng bức xạ trung bình hàng tháng và hàng năm của tỉnh Sơn La.

Bảng 3.8

Tổng bức xạ trung bình hàng tháng và hàng năm của tỉnh Hòa Bình.

Bảng 3.9

Tổng bức xạ trung bình hàng tháng và hàng năm của tỉnh Ninh Bình.

Bảng 3.10

Tổng bức xạ trung bình hàng tháng và hàng năm của tỉnh Ninh Thuận.

Bảng 3.11

Tổng hợp tiềm năng năng lượng mặt trời các tỉnh

Bảng 4.1

Giá thành điện năng của một số chủng loại nhà máy

6


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Mặt trời

Hình 1.2

Cấu trúc mặt trời

Hình 1.3

Trái đất

Hình 1.4

Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển

Hình 1.5

Dải bức xạ điện từ

Hình 1.6

Góc nhìn mặt trời

Hình 1.7

Quá trình truyền năng lượng của mặt trời qua lớp khí quyển của Trái
đất

Hình 1.8

Xe dùng pin mặt trời

Hình 1.9

Nhà máy điện mặt trời

Hình 1.10

Tháp năng lượng mặt trời

Hình 1.11

Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tòa nhà Bộ
Công Thương

Hình 2.1

Hệ 2 mức năng lượng

Hình 2.2

Các vùng năng lượng

Hình 2.3

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Hình 2.4

Quan hệ η(E )

Hình 2.5

Quá trình tạo modul

Hình 2.6

Cấu tạo modul

Hình 2. 7

Ghép nối tiếp 2 pin mặt trời giống nhau và đường đặc tính VA của hệ

Hình 2.8

Các đường đặc trưng VA của các modul không giống nhau và của hệ

g

2 modul nối tiếp
Hình 2.9

Ghép song song 2 pin mặt trời giống nhau và đường đặc tính VA của
hệ

Hình 2.10

Các đường đặc trưng của hệ song song 2 modul pin mặt trời không
giống nhau

Hình 2.11

Diod nối song song với modul để bảo vệ modul và dàn pin mặt trời

7

LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

Hình 2.12

Các diod bảo vệ trong dàn pin mặt trời

Hình 2.13

Góc nghiêng β của hệ thống

Hình 2.14

Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời

Hình 2.15

Bộ ắc quy

Hình 2.16

Bộ điều khiển nạp phóng

Hình 2.17

Bộ chuyển đổi

Hình 3.1

Tỉnh Thanh Hóa

Hình 4.1

Giao diện chương trình RETScreen

Hình 4.2

Cơ sở dữ liệu khí hậu của RETScreen

Hình 4.3

Cơ sở dữ liệu sản phẩm của RETScreen

Hình 4.4

Thành phố Thanh Hóa và các khu vực lân cận

Hình 4.5

Mô hình dự án

Hình 4.6

Tấm pin mặt trời HIP-200BA3 của Sanyo

Hình 4.7

Bộ SMA Sunny Central 500kW, 600VDC/230VAC,50Hz

Hình 4.8

Dữ liệu khí hậu tỉnh Thanh Hóa

Hình 5.1

Sơ đồ hệ thống điện mặt trời không nối lưới

Hình 5.2

Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới

Hình 5.3

Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới có pin dự phòng

Hình 5.4

Sơ đồ làm việc của bộ đổi điện nối lưới

Hình 5.5

Sử dụng phương pháp PWM để có điện áp đầu ra hình sin

8


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

LỜI NÓI ĐẦU
Trong khoảng hai thập kỷ gần đây, tiêu thụ năng lượng thế giới đã và đang
tăng với tốc độ trung bình khoảng 2% năm. Việc sử dụng các dạng năng lượng hóa
thạch như than, dầu và khí tự nhiên chiếm một tỷ lệ áp đảo (khoảng gần 80%) tổng
tiêu thụ năng lượng sơ cấp của phần lớn các quốc gia. Trong tương lai, xu thế tiêu
thụ năng lượng hóa thạch có thể được coi là không bền vững, bởi nguồn cung cấp là
có hạn, giá nhiên liệu gia tăng và các hậu quả tác động đến môi trường như sự nóng
lên của trái đất, biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường và hiện tượng mưa axit …
Trong bối cảnh đó, vai trò và tầm quan trọng của năng lượng tái tạo trong
tương lai ngày càng được khẳng định, nhiều nước trên thế giới đã và đang đưa ra
các biện pháp chính sách đồng bộ nhằm nghiên cứu, thúc đẩy phát triển bền vững
các nguồn cung cấp năng lượng tái tạo, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, đảm
bảo sự phát triển bền vững của mỗi quốc.
Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề an ninh năng lượng và phát triển
bền vững, Việt Nam đã có các quan điểm khuyến khích sử dụng năng lượng hiệu
quả và phát triển nguồn năng lượng tái tạo là vấn đề cấp bách và cần thiết.
Đề tài tốt nghiệp “Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời của tỉnh Thanh
Hóa và khả năng hòa lưới điện quốc gia” được nghiên cứu với mục đích góp phần
vào chiến lược phát triển năng lượng chung của vùng và cả nước. Bằng việc ứng
dụng phần mềm RETScreen đề tài đã khẳng định tính khả thi cho dự án điện mặt
trời quy mô công nghiệp tại một số vị trí có tiềm năng năng lượng mặt trời tại các
tỉnh miền Bắc nói chung và tỉnh Thanh Hóa nói riêng.
Đây là một lĩnh vực tương đối mới ở Việt Nam do vậy các tài liệu hạn chế và
các số liệu cụ thể chưa thật đầy đủ, có sự khai thác số liệu từ các nguồn khác nhau.
Vì vậy bản luận văn của tôi không tránh khỏi nhưng thiếu sót nhất định. Tôi rất
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để bản
luận văn được hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn.

9


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ
tận tình của PGS.TS Nguyễn Lân Tráng – Giảng viên Bộ môn Hệ thống điện
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng như các thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ
thống điện.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!

10


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát
được trong vũ trụ. Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên
hệ mặt trời nằm trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác. Mặt trời luôn
phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền
bằng bức xạ đến trái đất chúng ta. Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ,
chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh
của chúng ta.

Hình 1.1: Mặt trời
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận và nó
là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất. Con người đã biết tận
hưởng nguồn năng lượng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng
nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang
quan tâm.

11


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

1.1. Cấu trúc của mặt trời
6

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10 km (lớn hơn 110
6

lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.10 km (bằng một đơn vị thiên văn AU
ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất).
30

Khối lượng Mặt trời khoảng Mo =2.10 kg. Nhiệt độ To trung tâm mặt trời
6

6

thay đổi trong khoảng từ 10.10 K đến 20.10 K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở

nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các
nguyên tử và phân tử
Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách
biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện
những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt
nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt
hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời. Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất
cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ

Hình 1.2: Cấu trúc mặt trời
Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra
những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán
3

kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm , nhiệt độ ước tính từ 14 đến

12


Luận văn cao học

HV: Nguyễn Đình Thái

20 triu , ỏp sut vo khong hng trm t atmotphe. Vựng k tip l vựng trung
gian cũn gi l vựng i ngc qua ú nng lng truyn t trong ra ngoi, vt
cht vựng ny gm cú st (Fe), can xi (Ca), nỏt ri (Na), stronti (Sr), crụm (Cr),
kn (Ni), cỏcbon ( C), silớc (Si) v cỏc khớ nh hirụ (H2), hờli (He), chiu dy vựng
ny khong 400.000km. Tip theo l vựng i lu dy 125.000km v vựng
quang cu cú nhit khong 6000K, dy 1000km, vựng ny gm cỏc bt khớ
sụi sc, cú ch to ra cỏc vt en, l cỏc h xoỏy cú nhit thp khong 4500K v

cỏc tai la cú nhit t 7000K -10000K.Vựng ngoi cựng l vựng bt nh v gi
l khớ quyn ca Mt tri. Nhit b mt ca Mt tri l 5762K ngha l cú giỏ
tr ln cỏc nguyờn t tn ti trong trng thỏi kớch thớch, ng thi nh
õy thnh thong li xut hin nhng nguyờn t bỡnh thng v cỏc cu trỳc phõn
t. Da trờn c s phõn tớch cỏc ph bc x v hp th ca Mt tri ngi ta xỏc
nh c rng trờn mt tri cú ớt nht 2/3 s nguyờn t tỡm thy trờn Trỏi t.
Nguyờn t ph bin nht trờn Mt tri l nguyờn t nh nht hirụ. Vt cht ca
Mt tri bao gm khong 73.46% l hirụ v gn 24,85% l Hờli cũn li l cỏc
nguyờn t v cỏc cht khỏc nh ụxy 0,77%, cacbon 0,29%, st 0,16%, neon 0,12%,
nit 0,09%, silic 0,07%, magiờ 0,05% v lu hunh 0,04%. Ngun nng lng bc
x ch yu ca Mt tri l do phn ng nhit hch tng hp ht nhõn Hyrụ, phn
ng ny a n s to thnh Hờli. Ht nhõn ca Hyrụ cú mt ht mang in
dng l proton. Thụng thng nhng ht mang in cựng du y nhau, nhng
nhit cao chuyn ng ca chỳng s nhanh ti mc chỳng cú th tin gn ti
nhau mt khong cỏch m ú cú th kt hp vi nhau di tỏc dng ca cỏc lc
hỳt. Khi ú c 4 ht nhõn Hyrụ li to ra mt ht nhõn Hờli, 2 Neutrino v mt
lng bc x
4 H 11 He 24 + 2 Neutrino +

Neutrino l ht khụng mang in, rt bn v cú kh nng õm xuyờn rt ln.
Sau phn ng cỏc Neutrino lp tc ri khi phm vi mt tri v khụng tham gia vo
cỏc bin c sau ú.
Trong quỏ trỡnh din bin ca phn ng cú mt lng vt cht ca Mt tri b

13


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

6

mất đi. Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.10 tấn, tuy nhiên
theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian
hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng
24

nhiệt hạch lên đến 9.10 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải
phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong
một năm trên Trái đất).
1.2. Phản ứng hạt nhân trong mặt trời
1.2.1. Phản ứng tổng hợp hạt nhân Hêli
Trong quá trình hình thành, nhiệt độ bên trong Mặt trời sẽ tăng dần. Khi
7

vùng tâm mặt trời đạt nhiệt độ T≥10 K, thì có đủ điều kiện để xảy ra phản ứng tổng
hợp Hêli từ Hyđrô, theo phương trình:
1

4

4H → He + q.
2

8

Đây là phản ứng sinh nhiệt q = ∆m.c , trong đó c = 3.10 m/s là vận tốc ánh
sáng trong chân không, ∆m = (4mH - mHe) là khối lượng bị hụt, được biến thành
1

4

năng lượng theo phương trình Einstein. Mỗi 1kg hạt nhân H chuyển thành He thì
2

bị hụt một khối lượng ∆m = 0,01kg, và giải phóng ra năng lượng: q = ∆m.c =
8 2

14

0,01.(3.10 ) = 9.10 J
Lượng nhiệt sinh ra sẽ làm tăng áp suất khối khí, khiến mặt trời phát ra ánh sáng và
bức xạ, và nở ra cho đến khi cân bằng với lực hấp dẫn. Mỗi giây Mặt trời tiêu hủy
hơn 420 triệu tấn hyđrô, giảm khối lượng ∆m = 4,2 triệu tấn và phát ra năng lượng
26

Q = 3,8.10 W. Giai đoạn đốt Hyđrô của Mặt trời đã được khởi động cách đây 4,5
tỷ năm, và còn tiếp tục trong khoảng 5,5 tỷ năm nữa.
1.2.2. Phản ứng tổng hợp Cácbon và các nguyên tố khác
Khi nhiên liệu H2 dùng sắp hết, phản ứng tổng hợp He sẽ yếu dần, áp lực bức
xạ bên trong không đủ mạnh để cân bằng lực nén do hấp dẫn, khiến thể tích co lại.
Khi co lại, khí He bên trong bị nén nên nhiệt độ tăng dần, cho đến khi đạt tới nhiệt
8

độ 10 K, sẽ xảy ra phản ứng tổng hợp nhân Cacbon từ He :
4

3He → C

14

12

+q


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao, tốc độ lớn, nên thời gian cháy He chỉ
bằng 1/30 thời gian cháy H2 khoảng 300 triệu năm. Nhiệt sinh ra trong phản ứng
làm tăng áp suất bức xạ, khiến ngôi sao nở ra hàng trăm lần so với trước. Lúc này
mặt ngoài sao nhiệt độ khoảng 4000K, có màu đỏ, nên gọi là sao đỏ khổng lồ. Vào
thời điểm là sao đỏ khổng lồ, Mặt trời sẽ nuốt chửng sao Thủy và sao Kim, nung
Trái đất đến 1500K thành một hành tinh nóng chảy, kết thúc sự sống tại đây.
Kết thúc quá trình cháy He, áp lực trong sao giảm, lực hấp dẫn ép sao co lại,
6

làm mật độ và nhiệt độ tăng lên, đến T= 5.10 K sẽ xảy ra phản ứng tạo Oxy:
12

16

4C → 3O + q
Quá trình cháy xảy ra như trên, với tốc độ tăng dần và thời gian ngắn dần.
Chu trình cháy - tắt - nén - cháy được tăng tốc, liên tiếp thực hiện các phản ứng tạo
16

20

22

24

26

28

30

32

52

nguyên tố mới O -> Ne -> Na -> Mg ->Al -> Si -> P -> S ->... -> Cr 54

> Mn -> Fe

56

Các phản ứng trên đã tạo ra hơn 20 nguyên tố, tận cùng là Fe

56

(gồm 26

proton và 30 netron), toàn bộ quá trình được tăng tốc, xảy ra chỉ trong vài triệu năm.
56

Sau khi tạo ra Fe , chuỗi phản ứng hạt nhân trong ngôi sao kết thúc, vì việc tổng
hợp sắt thành nguyên tố nặng hơn không có độ hụt khối lượng, không phát sinh
năng lượng, mà cần phải cấp thêm năng lượng.
1.3. Trái đất và khí quyển của trái đất
Trái đất được hình thành cách đây gần 5 tỷ năm từ một vành đai bụi khí quay
quanh Mặt trời, kết tụ thành một quả cầu xốp tự xoay và quay quanh Mặt trời. Lực
hấp dẫn ép quả cầu co lại, khiến nhiệt độ nó tăng lên hàng ngàn độ, làm nóng chảy
quả cầu, khi đó các nguyên tố nặng như Sắt và Niken chìm dần vào tâm tạo lõi quả
đất, xung quanh là magma lỏng, ngoài cùng là khí quyển sơ khai gồm H2, He, H2O,
CH4, NH3và H2SO4. Trái đất tiếp tục quay, tỏa nhiệt và nguội dần. Cách đây 3,8 tỷ
năm nhiệt độ Trái đất đủ nguội để Silicat nổi lên trên mặt magma rồi đông cứng lại,
tạo ra vỏ trái đất dày khoảng 25km, với núi cao, đất bằng và hố sâu. Năng lượng
phóng xạ trong lòng đất với bức xạ Mặt trời tiếp tục gây ra các biến đổi địa tầng, và
tạo ra thêm H2O, N2, O2, CO2 trong khí quyển. Khí quyển nguội dần đến độ nước

15


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

ngưng tụ, gây ra mưa kéo dài hành triệu năm, tạo ra sông hồ, biển và đại dương.
Cách đây gần 2 tỷ năm, những sinh vật đầu tiên xuất hiện trong nước, sau đó phát
triển thành sinh vật cấp cao và tiến hoá thành người. Trái đất, hành tinh thứ 3 tính từ
Mặt trời, cùng với Mặt trăng, một vệ tinh duy nhất tạo ra một hệ thống hành tinh
kép đặc biệt. Trái đất là hành tinh lớn nhất trong số các hành tinh bên trong của hệ
mặt trời với đường kính ở xích đạo 12.756 km. Nhìn từ không gian, Trái đất có màu
xanh, nâu và xanh lá cây với những đám mây trắng thường xuyên thay đổi. Bề mặt

Trái đất có một đặc tính mà không một hành tinh nào khác có: hai trạng thái của vật
chất cùng tồn tại bên nhau ở cả thể rắn và thể lỏng. Vùng ranh giới giữa biển và đất
liền là nơi duy nhất trong vũ trụ có vật chất hiện hữu ổn định trong cả 3 thể rắn,
lỏng và khí.
Hành tinh trái đất di chuyển trên một quỹ đạo gần ellip, Mặt trời không ở tâm
của ellip, mà là tại 1 trong 2 tiêu điểm. Trong thời gian một năm, có khi Trái đất
gần, có khi xa Mặt trời đôi chút, vì quỹ đạo ellip của nó gần như hình tròn. Hàng
năm, vào tháng giêng, Trái đất gần Mặt trời hơn so với vào tháng 7 khoảng 5 triệu
km, sự sai biệt này quá nhỏ so với khoảng cách mặt trời đến Trái đất. Chúng ta
không cảm nhận được sự khác biệt này trong một vòng quay của Trái đất quanh
Mặt trời, hay trong một năm, sự khác biệt về khoảng cách này hầu như không ảnh
hưởng gì đến mùa đông và mùa hè trên trái đất, chỉ có điều là vào mùa đông chúng
ta ở gần Mặt trời hơn so với mùa hè chút ít.
Trái đất chuyển động quanh mặt trời đồng thời cũng tự quay quanh trục của
nó. Trong thời gian quay một vòng quanh mặt trời, trái đất quay 365 và ¼ vòng
quanh trục. Chuyển động quay quanh mặt trời tạo nên 4 mùa, chuyển động quay
quanh trục tạo nên ngày và đêm trên trái đất. Trục quay của trái đất không thẳng
góc với mặt phẳng quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đông và mùa hè.

16


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

Hình 1.3: Trái đất
Trái đất quay, vì thế đối với chúng ta đứng trên Trái đất có vẻ như các vì sao
cố định được gắn chặt với quả cầu bầu trời quay xung quanh chúng ta. Chuyển động
quay của Trái đất không quá nhanh để lực ly tâm của nó có thể bắn chúng ta ra

ngoài không gian. Lực ly tâm tác dụng lên mọi vật cùng quay theo Trái đất, nhưng
vô cùng nhỏ. Lực ly tâm lớn nhất ở xích đạo nó kéo mọi vật thể lên phía trên và làm
chúng nhẹ đi chút ít. Vì thế, mọi vật thể ở xích đạo cân nhẹ hơn năm phần ngàn so
với ở hai cực. Hậu quả của chuyển động quay làm cho Trái đất không còn đúng là
quả cầu tròn đều nữa mà lực ly tâm làm cho nó phình ra ở xích đạo một chút. Sự sai
khác này thực ra không đáng kể, bán kính Trái đất ở xích đạo là 6.378,140km, lớn
hơn khoảng cách từ 2 cực đến tâm Trái đất là gần 22km.
Sự sống chỉ hiện hữu duy nhất trên Trái đất. Trên các hành tinh khác gần
chúng ta nhất như sao Kim thì quá nóng và sao Hỏa quá lạnh. Nước trên sao Kim
nay đã bốc thành hơi nước, còn nước trên sao Hoả đã đóng thành băng bên dưới bề
mặt của nó. Chỉ có hành tinh của chúng ta là phù hợp cho nước ở thể lỏng với nhiệt
o

o

độ từ 0 C đến 100 C. Xung quanh Trái đất có lớp khí quyển dày khoảng H =

17


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

800km chứa N2, O2, H2O, CO2, NOx, H2, He, Ar, Ne. Áp suất và khối lượng riêng
của khí quyển giảm dần với độ cao y theo quy luật:

g
P( y ) = P0 (1 − (
). y )

C P .T0

CP
R

C

V
g
ρ ( y ) = ρ 0 (1 − (
). y ) R
C P .T0

Khí quyển tác động đến nhiệt độ trên hành tinh của chúng ta. Các vụ phun
trào núi lửa cùng với các hoạt động của con người làm ảnh hưởng đến các thành
phần cấu tạo của khí quyển. Vì thế, hệ sinh thái trên hành tinh chúng ta là kết quả
của sự cân bằng mong manh giữa các ảnh hưởng khác nhau. Trong quá khứ, hệ sinh
thái này là một hệ thống cân bằng tự điều chỉnh, nhưng ngày nay do tác động của
con người có thể đang là nguyên nhân làm vượt qua trạng thái cân bằng này.
3

Lớp không khí bao quanh Trái đất có thể tích khoảng 270 triệu km và nặng
khoảng 5.300 tỷ tấn đè lên thân thể chúng ta. Những gì mà chúng ta cảm nhận được
chỉ xảy ra trong tầng thấp nhất, cao khoảng 18km của cột không khí khổng lồ này,
tuy nhiên, phần nhỏ này lại đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự sống trên hành
tinh của chúng ta.
Trong không khí chứa khoảng 78% phân tử nitơ và 21% oxy cùng với 1%
argon và một số chất khí khác và hơi nước trong đó có khoảng 0,03% khí cácbonic.
Mặc dầu hàm lượng khí cácbonic rất nhỏ, nhưng lại đóng một vai trò quan trọng đối
với sự sống trên trái đất.

Càng lên cao áp suất không khí giảm và nhiệt độ cũng thay đổi rất nhiều, tuy
nhiên nhiệt độ của không khí không hạ xuống một cách đơn giản khi chúng ta tiến
ra ngoài không gian, nhiệt độ không khí giảm và tăng theo một chu trình nhất định.
Nhiệt độ ở mỗi tầng tương ứng với mức tích tụ và loại năng lượng tác động trong
tầng đó.
Khí quyển của Trái đất có thể chia làm 4 tầng, trong đó mỗi tầng có một kiểu
cân bằng năng lượng khác nhau. Tầng dưới cùng nhất gọi là tầng đối lưu

18


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

(Troposphere) tầng này bị chi phối bởi ánh sáng khả kiến và tia hồng ngoại, gần
95% tổng số khối lượng và toàn bộ nước trong khí quyển phân bố trong tầng này
tầng đối lưu cao chỉ khoảng 14km. Gần như toàn bộ sự trao đổi năng lượng giữa khí
quyển và Trái đất xảy ra trong tầng này.

Hình 1.4: Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển
Mặt đất và mặt biển bị hâm nóng lên bởi ánh nắng Mặt trời. Nhiệt độ trung
o

bình trên bề mặt Trái đất khoảng 15 C, bức xạ nhiệt đóng vai trò điều tiết tự nhiên
để giữ cho nhiệt độ trên mặt đất chỉ thay đổi trong một dải tầng hẹp. Theo lý thuyết,
càng lên cao nhiệt độ càng giảm T(y) = T0 - (g/Cp).y, nhưng trong thực tế thì không
đúng như vậy. Trên tầng đối lưu là tầng bình lưu (Stratosphere), tại đây nhiệt độ bắt
đầu tăng trở lại. Nhiệt độ tại vùng chuyển tiếp giữa vùng đối lưu và vùng bình lưu
o

khoảng -50 C, càng lên cao nhiệt độ lại tăng dần, tại ranh giới của tầng bình lưu có
o

độ cao khoảng 50km nhiệt độ tăng lên khoảng 0 C. Nguyên nhân gây ra hiện tượng
này là vì các phân tử oxy (O2) và ozon (O3) hấp thụ một phần các tia cực tím đến từ
Mặt trời (90% ozon trong khí quyển chứa trong tầng bình lưu). Nếu tất cả các tia
cực tím này có thể đến mặt đất thì sự sống trên Trái đất có nguy cơ bị hủy diệt. Một

19


Luận văn cao học

HV: Nguyễn Đình Thái

phn nh tia cc tớm b hp th bi O2 trong tng bỡnh lu, quỏ trỡnh ny tỏch mt
phõn t O2 thnh 2 nguyờn t O, mt s nguyờn t O phn ng vi phõn t O2 khỏc
to thnh O3. Mc du ch mt phn triu phõn t trong khớ quyn l ụzụn nhng
cỏc phõn t ớt i ny cú kh nng hp th hu ht ỏnh sỏng cc tớm trc khi chỳng
n c mt t. Cỏc photon trong ỏnh sỏng cc tớm cha nng lng ln gp 2
n 3 ln cỏc photon trong ỏnh sỏng kh kin, chỳng l mt trong cỏc nguyờn nhõn
gõy bnh ung th da.
Cỏc kt qu nghiờn cu gn õy cho thy lng ụzụn trong tng thp nht
ca khớ quyn (tng i lu) ngy cng tng, trong khi ú hm lng ozon trong
tng bỡnh lu ó b gim 6% t 20 nm tr li õy. Hu qu ca s suy gim ny l
cỏc tia cc tớm cú th xuyờn qua khớ quyn n mt t ngy nhiu hn v lm nhit
trong tng bỡnh lu ngy cng lnh i, trong khi ú nhit trong tng i lu
ngy mt núng lờn do hm lng ụzụn gn mt t ngy cng tng.
Trong tng gia (Mesosphere), cú cao t 50km tr lờn, ozon thỡnh lỡnh

mng ra v nhit gim dn v lờn n ranh gii cao nht ca tng ny (khong
o

80km) thỡ nhit ch khong -90 C.
Cng lờn cao nhit bt u tng tr li v s cu to ca khớ quyn thay
i hon ton. Trong khi tng di cỏc quỏ trỡnh c hc v trong tng gia cỏc
quỏ trỡnh hoỏ hc xy ra rt tiờu biu, thỡ trong tng cao nht ca khớ quyn cỏc quỏ
trỡnh din ra rt khỏc bit. Nhit lng bc x rt mnh ca mt tri lm tỏch cỏc
phõn t ra to thnh cỏc ion v electron. Vỡ th ngi ta gi tng ny l tng in
ly (Ionosphere) cỏc súng in t b phn x trong tng ny. Cng lờn cao, bc x
o

mt tri cng mnh, cao khong 600km, nhit lờn n 1000 C. Cng lờn cao
khớ quyn cng mng v khụng cú mt ranh gii rừ rng phõn bit gia khớ quyn
ca trỏi t v khụng gian. Ngi ta thng nht rng khớ quyn chun ca trỏi t cú
cao 800km.
1.4. Bc x mt tri
Trong ton b bc x ca Mt tri, bc x liờn quan trc tip n cỏc phn
ng ht nhõn xy ra trong nhõn mt tri khụng quỏ 3%. Bc x ban u khi i qua
5

5.10 km chiu dy ca lp vt cht Mt tri b bin i rt mnh. Tt c cỏc dng
ca bc x in t u cú bn cht súng v chỳng khỏc nhau bc súng. Bc x

20


Luận văn cao học

HV: Nguyễn Đình Thái

l súng ngn nht trong cỏc súng ú, t tõm Mt tri i ra do s va chm hoc tỏn
x m nng lng ca chỳng gim i v bõy gi chỳng ng vi bc x cú bc
súng di. Nh vy bc x chuyn thnh bc x Rnghen cú bc súng di hn. Gn
n b mt Mt tri ni cú nhit thp cú th tn ti vt cht trong trng
thỏi nguyờn t v cỏc c ch khỏc bt u xy ra.

Hỡnh 1.5: Di bc x in t
c trng ca bc x mt tri truyn trong khụng gian bờn ngoi Mt tri l
-1

mt ph rng trong ú cc i ca cng bc x nm trong di 10 - 10 àm v
hu nh mt na tng nng lng mt tri tp trung trong khong bc súng 0,38 0,78 àm ú l vựng nhỡn thy ca ph.
Chựm tia truyn thng t Mt tri gi l bc x trc x. Tng hp cỏc tia
trc x v tỏn x gi l tng x. Mt dũng bc x trc x ngoi lp khớ quyn,
2

tớnh i vi vi 1m b mt t vuụng gúc vi tia bc x, c tớnh theo cụng thc:

q = D _ T .C 0 (
õy :

D_T

D _T =

T 4
)
100

- l h s gúc bc x trc x gia trỏi t v mt tri

2
4

l gúc nhỡn mt tri v 32

21


Luận văn cao học

HV: Nguyễn Đình Thái

C 0 = 5,67 W/m 2 .K 4 l h s bc x ca vt en tuyt i

T 5762K l nhit b mt mt tri (xem ging vt en tuyt i)

Hỡnh 1.6 : Gúc nhỡn mt tri

2.3,14.32 2
)
5762 4
360
.
60
.5,67.(
) 1353W/m 2
Vy q =
4

100
(

Do khong cỏch gia Trỏi t v Mt tri thay i theo mựa trong nm nờn
cng thay i, do ú q cng thay i nhng thay i ny khụng ln lm nờn cú
th xem q l khụng i v c gi l hng s mt tri.
Khi truyn qua lp khớ quyn bao bc quanh Trỏi t, cỏc chựm tia bc x b
hp th v tỏn x bi tng ụzụn, hi nc v bi trong khớ quyn, ch mt phn
nng lng c truyn trc tip ti Trỏi t. u tiờn ụxy phõn t bỡnh thng O2
phõn ly thnh ụxy nguyờn t O, phỏ v liờn kt phõn t ú, cn phi cú cỏc
photon bc súng ngn hn 0,18àm, do ú cỏc photon (xem bc x nh cỏc ht ri
rc - photon) cú nng lng nh vy b hp th hon ton. Ch mt phn cỏc nguyờn
t ụxy kt hp thnh cỏc phõn t, cũn i a s cỏc nguyờn t tng tỏc vi cỏc
phõn t ụxy khỏc to thnh phõn t ụzụn O3, ụzụn cng hp th bc x t ngoi
nhng vi mc thp hn so vi ụxy, di tỏc dng ca cỏc photon vi bc súng
ngn hn 0,32àm, s phõn tỏch O3 thnh O2 v O xy ra. Nh vy hu nh ton b
nng lng ca bc x t ngoi c s dng duy trỡ quỏ trỡnh phõn ly v hp
nht ca O, O2 v O3, ú l mt quỏ trỡnh n nh. Do quỏ trỡnh ny, khi i qua khớ

22


LuËn v¨n cao häc

HV: NguyÔn §×nh Th¸i

quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.
Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại
của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không
phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng

và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ
yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của
khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong
sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ
rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại
đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nưóc, khí cácbônic và các hợp
chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở
khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới
bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất
2

vào khoảng 1000W/m

Hình 1.7: Quá trình truyền năng lượng của mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất

23