NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

Bài giảng:

NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Giảng viên: ThS. Trần Công Binh

8/2013
8/2013

1


C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1. Nguồn năng lượng mặt trời
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 lưới
Năng lượng tái tạo

2


C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Năng lượng tái tạo

3


Nguồn tài nguyên từ mặt trời

•
•
•
•
•
•

Trước khi nói về năng lượng mặt trời, hãy tìm hiểu về mặt trời:
Như cường 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 được mỗi ngày
Và chọn vị trí và góc lắp đặt dàn pin mặt trời sao cho hiệu quả nhất

Năng lượng tái tạo

4


Bức xạ của lỗ đen và mặt trời

•
•

Mặt trời

–

Đường 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 lượng năng lượng 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

5


Định luật Plank

•

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

3.74 ×108
Eλ =
 14400  
5 
λ exp 
÷− 1
 λT  


(7.1)

λ = bước sóng (μm)
Eλ = cống 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

6


Phổ điện từ

Ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng trong khoảng 0.4 đến 0.7 μm, với bước 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

7


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

Hình 7.1

Diện tích dưới đường cong là tổng công suất bức xạ phát ra
Năng lượng tái tạo

8


Định luật Stefan-Boltzmann

•

Tổng công suất bức xạ của vật thể đen được tính bằng định luật bức xạ Stefan –Boltzman

E = Aσ 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

9


Quy tắc Wien

•

Bước sóng mà công suất bức xạ trên mỗi đơn vị diện tích lớn nhất là

2898
λmax ( µ m) = o
T( K)

(7.3)

T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
λ = bước 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

10


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
14 2
mặt 5,1x10 m . Tính công suất bức xạ và bước sóng có công suất bức xạ
o
đỉnh. So sánh với bước sóng bức xạ đỉnh của mặt trời 5800 K.

E = Aσ T

4

2898
λmax ( µ m) = o
T( K)
Năng lượng tái tạo

(7.2)
(7.3)
11


Phổ bức xạ của mặt trời bên ngoài khí quyển

Hình 7.2
Năng lượng tái tạo

12


Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio
Khi tia nắng băng qua bầu khí
quyển, lượng năng lượng đến
được bề mặt trái đất sẽ bị suy hao

Hình 7.3

h1 = chiều dài đường đi qua bầu khí quyển với ánh nắng mặt trời ngay trên đỉnh đầu
h2 = chiều dài đường đi qua bầu khí quyển để đến bề mặt trái đất
β = góc cao độ của mặt trời
Năng lượng tái tạo

13


Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio

h2
1
air mass ratio m = =
h1 sin β

(7.4)

Hình 7.3

•
•
•

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

14


Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất

m tăng leenkhi mạt 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

15


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 ×10 1 + 0.017sin 
 km (7.5)

365



8

•
•

n = số ngày (bắt đầu từ ngày 1.1)
6
6
d (km) thay đổi từ 147x10 km vào ngày 2.1 đến 152x10 km vào ngày 3.7 (tương ứng với mùa
đông và mùa hè)

•

Đơn vị góc tính bằng độ cho cả chương này.

Năng lượng tái tạo

16


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

17


Quỹ đạo trái đất

Hình 7.5

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

đổi
Năng lượng tái tạo

18


Thiên độ δ - Solar Declination

• Thiên độ δ – là góc hợp bởi mặt phẳng xích đạo với đường 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

δ = 23.45sin 
( n − 81) 
 365

Năng lượng tái tạo

(7.6)
19


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

20


Góc thu giữa trưa

•

Giữa trưa – khi mặt trời chiếu thẳng
theo đường 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 trưa, tía nắng vuông góc với
tấm thu

L = vĩ độ (độ)

Hình 7.8

L < 0 ở bán cầu Nam
Năng lượng tái tạo

21


Cao độ giữa trưa βN - Altitude Angle

•
•

Góc cao độ giữa trưa là góc giữa tia nắng mặt trời với mặt phẳng trái đất

β N = 90° − L + δ (7.7)

Zenith – trục hướng tâm, vuông góc với mặt phẳng trái đất (hay đường chân trời)

Hình 7.9
Năng lượng tái tạo

22


Ví dụ 7.2 – Góc lắp dàn PV

•

o
Tìm góc lắp đặt tối ưu của dàn pin mặt trời phẳng, lắp đặt cố định ở TP.HCM (vĩ độ 10 45’00”)
giữa trưa vào ngày 27 tháng 8.

•

Bảng 7.1:

Năng lượng tái tạo

23


Ví dụ 7.2 – Góc lắp dàn PV

•

Góc thiên độ δ là

 360


 360

δ = 23.45sin 
n
−
81
=
23.45sin
???
−
81
(
)
(
)  = ???°

 365

 365


•

Góc cao độ là

•

Để tia nắng mặt trời chiếu vuông góc với dàn pin mặt trời thì góc nghiên bằng:

β N = 90° − L + δ = 90° − ??? ° − ??? ° = ??? °

α = tilt = 90° − β N = ???°

Năng lượng tái tạo

24


Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

•
•
•

•

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

–

> 0 vào buổi sáng

–

< 0 vào buổi chiều

–

Tính từ trục hướng cực Bắc (xem như hướng Bắc)

Lấy giờ giữa trưa là chuẩn.

Năng lượng tái tạo

25