Bài giảng: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

Bài giảng:

NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Giảng viên: ThS. Trần Công Binh

8/2013

0

C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
1. Nguồn năng lƣợng mặt trời (thiên văn)
2. Tế bào quang điện
3. Đặc tuyến I-V của pin quang điện
4. Công nghệ chế tạo pin quang điện
5. Đặc tính làm việc của pin quang điện
6. Hệ điện mặt trời độc lập
7. Hệ điện mặt trời hòa lƣới
8. Tính toán kinh tế cho hệ hòa lƣới
9. Xu hƣớng sử dụng năng lƣợng mặt trời
10.Giải pháp công nghệ cho các hệ điện mặt trời
Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

1

1


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Năng lượng tái tạo

2

1. Nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời

•
•
•
•
•
•

Trƣớc khi nói về năng lƣợng mặt trời, hãy tìm
hiểu về mặt trời:
Nhƣ cƣờng độ ánh nắng ra sao
Vị trí của mặt trời ở đâu tại mọi thời điểm
Bức xạ mặt trời ra sao (insolation: incident solar
radiation)
Từ đó xác định bức xạ trung bình nhận đƣợc mỗi

ngày
Và chọn vị trí và góc lắp đặt dàn pin mặt trời sao
cho hiệu quả nhất

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

3

2


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Renewable energy ressources on Earth by year
Réf. : human activities : 140.

106 GWh

Moon

25 106 GWh

sun

Earth

1600 109 GWh

45%

720 109
GWh
transforme
d
In heat

noyau
0,3 109 GWh

30%
25%
directly
converted at
surface
re-emitted to
and
atmosphère
space
Hydrocarbon fossil = stored solar energy

Năng lượng tái tạo

- Hydro cycles
(88%) 350 109 GWh
- wind, waves 32 109 GWh

Photosynthesis
(0,24%) 109 GWh

27 years = 1 day
4

Nguồn năng lượng mặt trời
SC =
hằng
số mặt
trời =
1.377
kW/m2

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

5

3


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Bức xạ của lỗ đen và mặt trời

•

Mặt trời
–
–

•

Đƣờng kính 1.4 triệu km
Tổng công suất bức xạ điện từ là 3.8 x 10 20 MW

Vật thể đen
–
–

–

Là vật thể vừa hấp thụ hoàn toàn, vừa bức xạ hoàn hảo
Bức xạ hoàn hảo – phát xạ lƣợng năng lƣợng trên mỗi
đơn vị diện tích nhiều hơn bất kỳ một vật thể thực ở
cùng nhiệt độ.
Hấp thụ hoàn toàn – hấp thụ tất cả bức xạ, hoàn toàn
không có phản xạ.

Năng lượng tái tạo

6

Định luật Plank
• Định luật Plank – bƣớc sóng phát xạ từ vật thể đen phụ
thuộc vào nhiệt độ của nó

3.74 108
E 

 14400  
 5 exp 
  1
 T  


(7.1)

• λ = bƣớc sóng (μm)
• Eλ = công suất phát xạ trên mỗi đơn vị diện tích của
•

vật thể đen (W/m2-μm)
T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

7

4


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Phổ điện từ
Ánh sáng nhìn thấy đƣợc có bƣớc sóng trong khoảng 0.4 đến 0.7 μm,
với bƣớc sóng của tia tử ngoại ngắn hơn và tia hồng ngoài dài hơn

Source: www.en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation
Năng lượng tái tạo

8

Phổ bức xạ của trái đất ở 288oK
Trái đất là một vật thể đen phát xạ ở 288K

Hình 7.1

Diện tích dƣới đƣờng cong là tổng công suất bức xạ phát ra
Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

9

5


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Định luật Stefan-Boltzmann
• Tổng công suất bức xạ của vật thể đen đƣợc tính bằng
định luật bức xạ Stefan –Boltzman

E  A T 4
•
•
•
•

(7.2)

E = tổng mức phát xạ của vật thể đen (W)
σ = hằng số Stefan-Boltzmann = 5.67x10-8 W/m2-K4
T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
A = tổng diện tích bề mặt của vật thể đen (m2)

Năng lượng tái tạo

10

Quy tắc Wien
• Bƣớc sóng mà công suất bức xạ trên mỗi đơn vị diện
tích lớn nhất là

2898
max ( m)  o
T ( K)
•
•

•
•

(7.3)

T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
λ = bƣớc sóng (μm)
λmax =0.5 μm cho mặt trời, T = 5800 K
λmax = 10.1 μm với trái đất (một vật đen), T = 288 K

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

11

6


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Bức xạ của trái đất

• Ví dụ 7.1: Trái đất là một vật thể đen, có
nhiệt độ trung bình 17oC, diện tích bề mặt
5,1x1014m2. Tính công suất bức xạ và bƣớc
sóng có công suất bức xạ đỉnh. So sánh với
bƣớc sóng bức xạ đỉnh của mặt trời 5800oK.

E  A T 4
2898
max (  m)  o
T( K)

(7.2)
(7.3)

Năng lượng tái tạo

12

Phổ bức xạ của mặt trời bên ngoài khí quyển

Hình 7.2
Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

13

7


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Tỷ trọng khí quyển m - Air Mass Ratio

Khi tia nắng băng
qua bầu khí quyển,
lƣợng năng lƣợng
đến đƣợc bề mặt
trái đất sẽ bị suy
hao

Hình 7.3

• h1 = chiều dài đƣờng đi qua bầu khí quyển với ánh
•
•

nắng mặt trời ngay trên đỉnh đầu
h2 = chiều dài đƣờng đi qua bầu khí quyển để đến bề
mặt trái đất
β = góc cao độ của mặt trời

Năng lượng tái tạo

14

Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio

air mass ratio m 

h2
1
=
h1 sin 

(7.4)

Hình 7.3

• Air Mass ratio bằng 1 (“AM1”) đồng nghĩa với mặt trời
•
•

ngay trên đỉnh đầu (m=1)
AM0 ở bên ngoài bầu khí quyển
AM1.5 là trị trung bình trên bề mặt trái đất (m=1.5)

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

15

8


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất

Năng lượng tái tạo

16

Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất
m tăng lên khi
mặt trời xuống
thấp trên bầu trời.
Chú ý là có sụ suy
hao lớn ở bức xạ
màu xanh trời khi
m tăng cao, đó là
lý do có màu đỏ
khi mặt trời mọc
và lặn.
Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

17

9


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Quỹ đạo trái đất
• Quay một vòng mất 365.25 ngày theo quỹ đạo hình elip
• Khoảng cách từ trái đất đến mặt trời:


 360( n  93)  
d  1.5 108 1  0.017sin 
  km (7.5)
365




• n = số ngày (bắt đầu từ ngày 1.1)
• d (km) thay đổi từ 147x106 km vào ngày 2.1 đến
•

152x106 km vào ngày 3.7 (tƣơng ứng với mùa đông và
mùa hè)
Đơn vị góc tính bằng độ cho cả chƣơng này.

Năng lượng tái tạo

18

Quỹ đạo trái đất

•
•
•
•
•
•

Trong một ngày, trái đất quay 360,99˚

Quỹ đạo trái đất quay còn gọi là mặt phẳng hoàn
đạo
Trái đất quay quanh một trục nghiên 23.45˚
Ban ngày và ban đêm dài bằng nhau vào ngày
21.3 và 21.9 (Xuân phân và Thu phân)
Đông chí là ngày mà Bắc cực xa mặt trời nhất
Hạ chí là ngày Bắc cực gần mặt trời nhất

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

19

10


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Quỹ đạo trái đất

Hình 7.5

Với các ứng dụng năng lƣợng mặt trời, sẽ xem xét các đặc
điểm của quỹ đạo của trái đất là không thay đổi
Năng lượng tái tạo

20

Thiên độ δ - Solar Declination

• Thiên độ δ – là góc hợp bởi mặt phẳng xích
•
•

đạo với đƣờng thẳng nối tâm mặt trời và tâm
trái đất (δ<0 khi mặt trời ở bán cầu Nam)
δ biến thiên trong khoảng +/- 23.45˚
Là một hàm của hình sin tính theo ngày, bắt
đầu từ ngày Xuân phân (n=81 ) tính cho cả
năm 365 ngày.
 360
  23.45sin 
 n  81 (7.6)
 365


Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

21

11


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Vị trí mặt trời theo thời gian trong năm
• Xác định vị trí mặt trời
Hạ chí

Xuân phân
Thiên độ

Hình 7.6

Thu phân

Đông chí

• Tính toán vị trí mặt trời bất kỳ thời điểm nào
• Từ đó xác định góc nghiêng cho dàn pin mặt trời
Năng lượng tái tạo

22

Ví dụ 7.2 – Góc lắp dàn PV
• Tìm góc lắp đặt tối ƣu của dàn pin mặt trời phẳng, lắp
•

đặt cố định ở TP.HCM (vĩ độ 10o45’00”) giữa trƣa vào
ngày 4 tháng 9.
Bảng 7.1:

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

23

12


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Góc thu giữa trưa
• Giữa trƣa – khi mặt
•

•

trời chiếu thẳng theo
đƣờng kinh tuyến
Phía Bắc bán cầu –
mặt phẳng thu sẽ
nghiêng một góc bằng
đúng với vĩ độ vào
thời điểm Xuân phân
Vào chính trƣa, tia
nắng vuông góc với
tấm thu

L = vĩ độ (độ)

Hình 7.8

L < 0 ở bán cầu Nam

Năng lượng tái tạo

24

Cao độ giữa trưa βN - Altitude Angle
• Góc cao độ giữa trƣa là góc giữa tia nắng mặt trời với
mặt phẳng trái đất

 N  90  L   (7.7)

• Zenith – trục hƣớng tâm, vuông góc với mặt phẳng trái
đất (hay đƣờng chân trời)

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

Hình 7.9
25

13


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Ví dụ 7.2 – Góc lắp dàn PV
• Góc thiên độ δ là
360
 360
  23.45sin 
 n  81  = 23.45sin   ??? 81 
 365



 365



= ???

• Góc cao độ là
• Để tia nắng mặt trời chiếu vuông góc với giàn pin mặt
trời thì góc nghiên bằng:

  tilt  90   N = ???

Năng lượng tái tạo

26

Góc cao độ  và góc phương vị s 

Altitude Angle

Azimuth Angle

s < 0 ở phía Tây
Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

Hình 7.10
27

14


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

•
•
•

Vị trí mặt trời trong ngày đƣợc xác định theo góc
cao độ β và góc phƣơng vị ϕS
β và ϕS phụ thuộc vào vĩ độ, ngày và giờ.
Góc phƣơng vị (ϕS )
–

–
–

•

> 0 vào buổi sáng
< 0 vào buổi chiều
Tính từ trục hƣớng cực Nam (xem nhƣ hƣớng Nam)

Lấy giờ giữa trƣa là chuẩn.

Năng lượng tái tạo

28

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

29

15


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

Năng lượng tái tạo

30

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

31

16


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày
• Xoay theo mặt trời

Năng lượng tái tạo

32

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày
• Xoay theo mặt trời

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

33

17


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Góc cao độ  và góc phương vị s 

•
•

Góc giờ H - là góc cần để trái đất quay cho đến
khi mặt trời nằm ngay trên đƣờng kinh độ mà
bạn đang đứng
Nếu xem trái đất quay một góc 15˚/giờ, thì

H  15  12-h 

(7.10)

• Ở 11 AM giờ mặt trời (h-ST-solar time), H = +15˚

•

(trái đất cần thểm 1 giờ để quay đến giữa trƣa)
Ở 2 PM giờ mặt trời: h=14 (giờ)  H = -30˚

Năng lượng tái tạo

34

Góc cao độ  và góc phương vị s 

sin   cos L cos  cos H  sin L sin 
(7.8)
o
(   90 )
cos  sin H
sin S 
(7.9)
cos 

•
•

H = góc giờ (độ) (<0 vào buổi chiều)
L = vĩ độ (độ) (<0 ở bán cầu Nam?)

•

Kiểm tra độ lớn góc phƣơng vị nhỏ hơn hay lớn
hơn 90˚!

if cos H 
Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

tan 
,
tan L

then S  90, else S  90

(7.11)
35

18


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Ví dụ 7.3 – Mặt trời ở đâu?

• Xác định góc cao độ β và góc phƣơng vị ϕS
lúc 3 PM (giờ mặt trời) ở TP.HCM (L =
10,75o vĩ Bắc ) vào ngày 29/7?

Tính góc
nghiêng và

tỷ trọng
khí quyển?

(  N  90o )
Năng lượng tái tạo

36

Ví dụ 7.3 – Mặt trời ở đâu?
• Xác định góc cao độ β và góc phƣơng vị ϕS lúc 11:00 AM
(giờ mặt trời) ở TP.HCM (L = 10,75o) vào ngày 29/8?
• Góc thiên độ
360
 360
  23.45sin 
 n  81 = 23.45sin   ??? 81 = ???
 365

 365


• Góc giờ

H  15  12-??? h   ??? 

• Góc cao độ
sin   cos L cos  cos H  sin L sin 
  sin 1  ???   ??? 
Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

(  N  90o )
37

19


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Example 7.3 – Xác định vị trí mặt trời?
• Góc phƣơng vị
sin S 

cos  sin H
cos 

• Tính đƣợc 2 giá trị góc phƣơng vị theo hàm arcsin:
S = sin 1  ???   ??? 

• Kiểm tra điều kiện sau để chọn 1 trong 2 giá trị trên:
cos H  cos  ???    ??? 

tan 
 ???
tan L

S = ??? 

Năng lượng tái tạo

38

Sơ đồ dùng phân tích bóng che cho mặt trời

• Từ việc xác định vị trí mặt trời trên bầu trời
•
•
•

ở mọi thời điểm
Cũng có thể xác định bóng che ở mọi thời
điểm
Bằng cách phát họa góc phƣơng vị và góc
cao độ của hàng cây, tòa nhà, và các vật gây
ra bóng che
Theo sơ đồ đƣờng mặt trời để xác định thời
gian bị bóng râm che phủ

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

39

20


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Sơ đồ dùng phân tích bóng cho mặt trời

•

Xác định góc phƣơng vị của vật gây bóng che

Góc lệch giữa cực trái đất và cực từ trường khi dùng la bàn
Năng lượng tái tạo

40

Sơ đồ dùng phân tích bóng cho mặt trời

•

Xác định góc cao độ vật gây bóng che

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

41

21


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Sơ đồ dùng phân tích bóng cho mặt trời
• Hàng cây ở hƣớng đông nam, căn nhà ở hƣớng tây nam
• Có thể ƣớc tính lƣợng năng lƣợng mất đi do bóng che
40o vĩ Bắc
Cây cao che
từ 8:30 đến
9:30 tháng
11 tháng 1.

Nhà che sau
15:00 tháng
11 tháng 1.
Năng lượng tái tạo

Hình 7.15

42

California Solar Shade Control Act

•

•

Bóng che tấm thu năng lƣợng mặt trời (từ nhà kế
bên) đƣợc pháp luật quy định ở một số quốc gia.
Ví dụ đạo luật kiểm soát bóng che của California

vào năm 1979: Không để cho cây hay bụi cây gây
bóng che cho tài sản của hàng xóm lớn hơn 10%
diện tích tấm thu trong khoảng 10 am đến 2 pm.

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

43

22


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

The Guilty Trees were Subject to
Court Ordered Pruning

Trƣờng hợp đầu tiên bị kết án năm 2008.
Nguồn: NYTimes, 4/7/08
Năng lượng tái tạo

44

Giờ mặt trời ST và giờ đồng hồ CT
• Hầu hết tính toán liên quan đến giờ mặt trời (ST)
• Giờ mặt trời đƣợc tính từ giữa trưa.
• So với giờ đồng hồ thì cần 2 hiệu chỉnh:

–
–

Theo kinh độ cần hiệu chỉnh múi giờ
Theo sự không đồng đều khi trái đất quay quanh mặt trời

• Hai địa điểm sẽ có cùng giờ mặt trời chỉ khi có cùng
•
•

kinh tuyến
Giờ mặt trời sẽ khác nhau 4 phút nếu lệch 1˚ kinh tuyến
Trong khi giờ đồng hồ chỉ có 24 múi 1-giờ, mỗi múi
giờ dùng chung cho 15˚ kinh tuyến.

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

45

23


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

Bản đồ phần múi giờ thế giới

Năng lượng tái tạo

Nguồn: />
46

Bản đồ phần múi giờ thế giới

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

Nguồn: />
47

24


Bìa giảng NLTT

Trần Công Binh

US Local Time Meridians (Table 7.4)
Múi giờ
Hà Nội – Băng cốc
(GMT+7)
Eastern
Central
Mountain
Pacific
Eastern Alaska

Kinh độ chuẩn múi giờ
(Local Time Meridian)
-105˚
(Độ kinh Đông < 0)
75˚
90˚
105˚
120˚
135˚

Năng lượng tái tạo

48

Giờ mặt trời và giờ đồng hồ
• Do quỹ đạo trái đất quay hình elip nên thời gian theo
giờ mặt trời biến thiên theo từng ngày trong năm

Ngày dài hơn
vào mùa Đông!
(E (phút)
lớn hơn)

Năng lượng tái tạo

ĐH Bách Khoa TP.HCM

49

25