Xác định cường độ bức xạ mặt trời

CHƯƠNG 3

XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ
BỨC XẠ MẶT TRỜI


Một cách tổng quát, có thể chia
bức xạ mặt trời ra thành 2 loại:
 Extra

Terrestrial Solar Radiation và
Terrestrial Solar Radiation.
 Ký hiệu:
G – đơn vò là W/m2
I – đơn vò là J/m2 (thời gian tương
ứng là giờ)
H – đơn vò là J/m2 (thời gian tương
ứng là ngày)


3.1. Bức xạ mặt trời
đến bên ngoài bầu khí
quyển (Extra Terrestrial Solar
Radiation)
 Có

giá trò khá ổn đònh ứng với từng
vò trí khảo sát cụ thể và có phương rất
rõ ràng, trong trường hợp này phương
của tia bức xạ mặt trời là đường nối
từ mặt trời đến vò trí khảo sát.

 Mặc dù vậy, các khảo sát thực tế cho
thấy – về mặt giá trò – bức xạ mặt trời
đến bên ngoài bầu khí quyển cũng có
những biến đổi nhẹ.


 Có

2 lý do gây ra sự biến đổi này:
- Do các hiện tượng diễn ra trong nội bộ mặt
trời.
- Do sự biến đổi của khoảng cách từ mặt trời
đến Trái đất.

 Các

nghiên cứu cho thấy, lý do thứ nhất chỉ
gây ảnh hưởng tối đa không quá 1,5%, còn
lý do thứ hai có thể gây ảnh hưởng đến 3%.

 Đối

với các bài toán kỹ thuật, có thể xem
cường độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn
đònh và bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu
khí quyển là bức xạ mặt trời đến trên mặt
đất nhưng không tính đến ảnh hưởng của bầu
khí quyển.

 Gọi

Gon là lượng bức xạ mặt trời đến
một mặt phẳng có diện tích 1m2
đặt thẳng góc với tia bức xạ và ở
bên ngoài bầu khí quyển, ta có:
Gon = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)]
Trong đó:
GSC – hằng số mặt trời.
n – số thứ tự của ngày trong năm
với qui ước
lấy giá trò n của
ngày 1 tháng giêng là 1.


 Nếu

bề mặt khảo sát nằm
ngang, giá trò Go biểu diễn lượng
bức xạ mặt trời đến mặt phẳng
có diện tích 1m2 đặt bên ngoài
bầu khí quyển có giá trò là:
Go = GSC.
[1+0,033.Cos(360.n/365)].CosZ


 Cos.Cos.Cos+Sin.Sin  .dt
�

 Gọi

Ho (J/m2) là lượng bức xạ mặt trời
đến mặt phẳng nằm ngang có diện
tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển
trong thời gian 1 ngày, ta viết được:
Ho = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].φ1
Với:
φ1 = (Cosδ.Cos.Cos+Sinδ.Sin).dt

 Khi

đặt dt = a.d, ta có:
Ho = a.GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].φ2
Với:
φ2 = (Cosδ.Cos.Cos+Sinδ.Sin).d


 Trong

các biểu thức trên, t có đơn vò
là giây,  có đơn vò là độ và biến
đổi trong khoảng từ –S cho đến +S ,
tức là từ lúc mặt trời mọc cho đến
lúc mặt trời lặn.

 Sau

khi lấy tích phân, ta được:
Ho = 2a.A.B
Trong đó:

a = 3600.180/(15.)
A = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)]
B = Cosδ.Cos.SinS+Sinδ.Sin.S.(/180)


 Bên

cạnh giá trò Ho, trong các tính toán
về bức xạ mặt trời người ta cũng rất
quan tâm đến giá trò Hom.

 Ta

hiểu Hom là lượng bức xạ mặt trời
đến trên mặt phẳng nằm ngang có
diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí
quyển trong thời gian 1 ngày (nhưng là
ngày điển hình của tháng khảo sát).



Theo đònh nghóa, ngày điển hình của
một tháng nào đó là ngày mà Ho có
giá trò gần nhất so với giá trò bức xạ
trung bình của tháng đó.


 Nói

chung, các tia bức xạ mặt trời về

nguyên tắc có bước sóng  gần như là
từ 0 cho đến .

 Tuy

nhiên, do cường độ các tia bức xạ
mặt trời phân bố rất không đồng đều
theo bước sóng, cho nên trong thực tế ta
chỉ quan tâm đến các tia bức xạ có
bước sóng  trong khoảng từ 0,24m đến
50m.

 Cường

độ của các tia bức xạ có bước
sóng  <0,24m và >50m thật sự không
đáng kể.


3.1 trình bày quang phổ của
bức xạ mặt trời ở dạng đồ thò.

Cườ
ng độbứ
c xạ đơn sắ
c, W/m

2

 Hình

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

2,4

2,6

Bướ
c só
ng ,m


 Bảng

3.1 trình bày một vài số
liệu về sự phân bố bức xạ mặt
trời theo bước sóng ở dạng bảng,
trong đó:
Gsc, - cường độ bức xạ đơn sắc,
W/m2
f0- - tỉ số giữa tổng lượng bức xạ
ứng với bước sóng trong khoảng
từ 0 đến  và hằng số mặt trời.


, m

0,24
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29

0,30
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0.36
0,37
0,38
0,39
0,40
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46

Gsc,
63,0
70,9
130
232
222
482
514
689
830
1059
1074

1093
1068
1181
1120
1098
1429
1751
1747
1639
1810
2006
2066

f0-
0,0014
0,0019
0,0027
0,0041
0,0056
0,0081
0,0121
0,0166
0,0222
0,0293
0,0372
0,0452
0,0532
0,0615
0,0700
0,0782

0,0873
0,0992
0,1122
0,1247
0,1373
0,1514
0,1665

, m

0,47
0,48
0,49
0,50
0,51
0,52
0,53
0,54
0,55
0,56
0,57
0,58
0,59
0,60
0,62
0,64
0,66
0,68
0,70
0,72

0,75
0,80
0,90

Gsc,

2033
2074
1950
1942
1882
1833
1842
1783
1725
1695
1712
1715
1700
1666
1602
1544
1486
1427
1369
1314
1235
1109
891

f0-

0,1817
0,1968
0,2115
0,2260
0,2401
0,2538
0,2674
0,2808
0,2938
0,3065
0,3191
0,3318
0,3444
0,3568
0,3810
0,4042
0,4266
0,4481
0,4688
0,4886
0,5169
0,5602
0,6337

, m

Gsc,

f0-

1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,5
5,0
6,0
7,0
8,0
10,0
50,0

748
0,6949
485
0,7840

337
0,8433
245
0,8861
159
0,9159
103
0,9349
79
0,9483
62
0,9586
48
0,9667
39
0,9731
31
0,9783
22,6
0,9822
16,6
0,9850
13,5
0,9872
11,1
0,9891
9,5
0,9906
5,9
0,9934

3,8
0,9951
1,8
0,9972
1,0
0,9982
0,59
0,9988
0,24
0,9994
3,9.10-4 1,0000


Ví dụ 3.1
 Xác

đònh lượng bức xạ mặt trời đến 1m2 mặt
phẳng nằm ngang ở vò trí có vó độ 10oN vào
ngày 15-4. Cho biết khoảng thời gian khảo sát
là 1 ngày và giả sử bỏ qua ảnh hưởng của
bầu khí quyển.

 Như

đã trình bày ở trên, khái niệm ngày
trong kỹ thuật năng lượng mặt trời tương ứng
với khoảng thời gian từ lúc mặt trời mọc cho
đến lúc mặt trời lặn. Do ngày 15-4 là ngày
điển hình của tháng 4 nên giá trò cần xác
đònh chính là Hom.

 Ta có n=105 và từ đó xác đònh được  = 9o40.


S

coự giaự trũ laứ:

S = Cos-1[ tan.tan]
= Cos-1[ tan(10).tan(9,4)] = 91,672o
Ta cuừng tớnh ủửụùc:
A = 1353.[1+0,033cos(360.105/365)]
= 1342,53 W/m2
B = Sin(9,4).Sin(10).91,672./180
+ Cos(9,4).Cos(10).Sin(91,672)
= 1,0165396


 Keát

quaû:
Hom= 2a.A.B
= 2.(3600.180/
(15.)).1342,53.1,0165396
= 37532936 J/m2 = 37,533 MJ/m2


Ví dụ 3.2
 Xác

đònh cường độ bức xạ mặt

trời đến bề mặt đặt bên ngoài
bầu khí quyển và thẳng góc với tia
bức xạ trong các trường hợp sau:
- Trong vùng tia cực tím hay tia tử
ngoại (Ultraviolet) với  < 0,38m.
- Trong vùng các tia bức xạ nhìn thấy
được với 0,38m <  < 0,78m.
- Trong vùng các tia hồng ngoại
(Infrared) với  > 0,78m.


 Từ

bảng 3.1 ta tra được các giá trò f 0- và tính
được các kết quả sau:
- Ứng với các tia bức xạ có bước sóng từ
0 đến 0,38m: f0- = 0,07. Do đó cường độ
ứng với các tia bức xạ có bước sóng từ 0
đến 0,38m là 0,07.1353= 94,71W/m2.
- Ứng với các tia bức xạ có bước sóng từ
0 đến 0,78m: f0- = 0,5429 (nội suy từ bảng).
Như vậy, nếu chỉ tính các tia bức xạ có
bước sóng từ 0,38m đến 0,78m thì cường
độ bức xạ tương ứng là (0,5429 – 0,07).1353
= 639,8337W/m2.
- Ứng với các tia bức xạ có bước sóng lớn
hơn 0,78m thì cường độ của các tia bức xạ
tương
ứng
là

(1
–
0,5429).1353
=
618,4563W/m2.


3.2. Bức xạ mặt trời
đến trên mặt đất
(Terrestrial Solar Radiation)
 Do

ảnh hưởng của bầu khí quyển và các
vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho
nên các tia bức xạ mặt trời sẽ phải chòu
hiện tượng hấp thụ và phản xạ.

 Hiện

tượng hấp thụ làm giảm cường độ
của tia bức xạ, còn hiện tượng phản xạ
làm một bộ phận của tia bức xạ bò đổi
phương, do đó phương của thành phần bò
phản xạ không rõ ràng.

 Kết

quả của các hiện tượng vừa nêu là,
càng đến gần bề mặt Trái đất, cường
độ của tia bức xạ tổng càng bò giảm.

 Một

cách tổng quát, người ta xem
lượng bức xạ tổng đi vào bầu khí
quyển (Terrestrial Solar Radiation) để đến
một bề mặt khảo sát nào đó trên
mặt đất bao gồm 2 thành phần là trực
xạ (Beam Radiation) và khuếch tán
(Diffuse Radiation).

 Thành

phần trực xạ có phương rõ
ràng, đó là đường thẳng nối từ mặt
trời đến đòa điểm khảo sát.

 Trong

khi đó, đối với thành phần
khuếch tán, phương hướng và cường
độ của thành phần khuếch tán khá
phức tạp.


 Để

đơn giản hóa vấn đề này, Hottel và
Woertz giả sử thành phần khuếch tán

phân bố đồng đều trong khắp bầu trời.

 Giả

thiết này hầu như chỉ phù hợp
trong trường hợp bầu trời có sương mù,
hoặc bò che phủ bởi mây phân bố đều
trong bầu trời.

 Vào

những ngày trời trong, hầu hết
những tia bức xạ khuếch tán có phương
gần giống với phương của tia trực xạ.


 Gọi:

I, IT – lượng bức xạ tổng đến mặt
phẳng nằm ngang và đến bề mặt
nghiêng đang khảo sát trong 1 giờ.
Ib, IbT – thành phần trực xạ đến mặt
phẳng nằm ngang và đến bề mặt
nghiêng đang khảo sát trong 1 giờ.
Id, IdT – thành phần khuếch tán đến
mặt phẳng nằm ngang và đến bề
mặt nghiêng đang khảo sát trong 1
giờ.

 Ta

I

coù:
= Ib + I d

IT = IbT + IdT
 Ñaët:

R = IT/I
Rb = IbT/Ib
Rd = IdT/Id


 Ta

suy được:
R = Rb.(Ib/I) + Rd.(Id/I)
Trong đó:
Rb = IbT/Ib = Cos/CosZ
- Bên cạnh thành phần khuếch tán do
bầu trời, người ta còn chú ý đến thành
phần phản xạ do bề mặt đất, thành
phần này có giá trò khá đáng kể ở
những nơi bề mặt đất bò tuyết phủ.
- Khi chú ý đến thành phần này, Liu và
Jordan xem như lượng bức xạ tổng (Total
Radiation) đi đến một bề mặt nghiêng
bất kỳ bao gồm 3 thành phần là thành

phần trực xạ, thành phần khuếch tán
bầu trời và thành phần phản xạ từ
mặt đất.


 Gọi

 là góc nghiêng của bề mặt
nghiêng đang khảo sát, giá trò
(1+Cosβ)/2 được hiểu là hệ số nhìn bầu
trời (View Factor to the Sky) và giá trò (1Cosβ)/2 được hiểu là hệ số nhìn mặt
đất (View Factor to the Ground) của bề
mặt nghiêng này.

 Theo

cách đặt vấn đề như vậy, ta có:

IT = IbRb + Id.(1+Cosβ)/2 + (Id + Ib).. (1-Cosβ)/2