Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp và phân phối nước nóng dùng năng lượng mặt trời (NLMT) kết hợp gia nhiệt bổ sung bằng bình nóng lạnh cho shophouse

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Hà Nội, ngày … tháng…năm 2018
Giáo viên hướng dẫn

Lớp ……

1

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Hà Nội, ngày … tháng…năm 2018
Giáo viên hướng dẫn

Lớp ……

2

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Điện

GVHD: …….

LỜI CẢM ƠN
Học tập là quá trình lâu dài, mỗi giai đoạn đóng vai trò quan trọng
trong việc hình thành tri thức một con người.Từ những ngày bước chân vào
giảng đường đại học cho đến lúc hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận
được sự quan tâm chỉ dẫn và giúp đỗ tận tình của các thầy cô.
Qua quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em xin bày tỏ lòng biết ơn
chân thành đến Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp …., Ban chủ
nhiệm Khoa Điện cũng như các Thầy trong Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt Lạnh đã
tạo mọi điều kiện cho em có kết quả học tập tốt và hoàn thành đề tài này.
Đặc biệt em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thạc sỹ …. đã trực tiếp theo
dõi tận tình hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài, truyền đạt những
kinh nghiệm quý báu, cung cấp cho em những tài liệu cần thiết và hữu ích cho
quá trình nghien cứu để em có thể thực hiện đề tài hoàn chỉnh về mặt nội

dung và hoàn thành trong thời gian quy định.
Trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu
sót.Mong nhận được sự chỉ bảo ,góp ý của các Thầy trong bộ môn.
Hà Nội, ngày 18 tháng 3 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Lớp ……

3

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

LỜI NÓI ĐẦU
Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoáng 1,4 triệu km với thành
phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong Mặt Trời đạt đến
gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất. Đây
là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro.
Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong qua trình được truyền từ
tâm Mặt Trời ra ngoài, tương tác với các nguyên tố khác bên trong Mặt Trời
và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và
phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải
dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau.

Quá trình bức xạ của Mặt Trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục
trong vài tỷ năm nữa.
Việc khai triển điện Mặt Trời bắt nguồn từ "Chương trình nhà nước về
Năng lượng tái tạo" trong giai đoạn 1980-1990, với các đề tài về pin mặt trời,
sấy, làm lạnh, chưng cất nước và đun nước nóng. Tuy nhiên, do hạn chế về
kinh phí, phần lớn các đề tài chỉ dừng ở mẫu thí nghiệm hoặc sản xuất quy mô
nhỏ, chưa được chuyển giao vào các ứng dụng quy mô công nghiệp. Cho đến
nay, các hoạt động nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực năng lượng Mặt Trời
vẫn tương đối chậm, không có tính đột phá do thiếu nguồn vốn đầu tư và đề
tài. Do đó việc sử dụng năng lượng Mặt Trời để đun nước nóng và làm nguồn
điện sinh hoạt hiện chỉ dừng lại ở quy mô nhỏ.

Lớp ……

4

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN........................................................1
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN...........................................................2
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................3

LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................... 4
MỤC LỤC................................................................................................................5
CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH VÀ TIỀM NĂNG SỬ DỤNG
NLMT TẠI HÀ NỘI.................................................................................................8
1.1 Giới thiệu về thủ đô Hà Nội.................................................................................8
1.2 Tổng quan về shophouse Vinhome Mỹ Đình Hà Nội........................................10
CHƯƠNG 2 : VAI TRÒ CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG CUỘC SỐNG
HIỆN ĐẠI VÀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.......................12
2.1 Mặt trời..............................................................................................................12
2.1.1 Giới thiệu về mặt trời......................................................................................12
2.1.2 Cấu tạo của mặt trời........................................................................................12
2.2 Năng lượng bức xạ............................................................................................14
2.3 Các định luật về bức xạ.....................................................................................18
2.3.1 Định luật Kirchhoff về bức xạ nhiệt cân bằng................................................18
2.3.1 Định luật Stefan-Boltzmann...........................................................................19
2.3.2Định luật Wien.................................................................................................19
2.3.3 Định luật Plank...............................................................................................19
2.4 Phương thức tính toán năng lượng mặt trời.......................................................20
2.4.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ...............................................................20
2.4.2 Tổng cường độ bức xạ lên bề mặt trái đất.......................................................23
2.5 Hiện trạng năng lượng mặt trời nước ta hiện nay...............................................24
2.6 Tổng quan các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời..........................................25
2.6.1 Pin mặt trời.....................................................................................................26

Lớp ……

5

SVTH: ………
MSV : …….

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

2.6.2 Nhà máy sử dụng năng lượng mặt trời............................................................27
2.6.3 Tháp năng lượng mặt trời...............................................................................30
2.6.4 Thiết bị sấy khô sử dụng năng lượng mặt trời.................................................31
2.6.5 Bếp nấu năng lượng mặt trời..........................................................................33
2.6.6 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT..............................................................33
2.6.7 Động cơ stirling chạy bằng NLMT.................................................................34
2.6.8 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT....................................35
2.6.9 Hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời...........................36
2.6.9.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bình nước nóng năng lượng mặt trời.........37
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG DÙNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DẠNG TẤM PHẲNG..............................................41
3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.........................................................................41
3.1.1 Cấu tạo của máy nước nóng năng lượng mặt trời...........................................41
3.1.2 Nguyên lý hoạt động.......................................................................................44
3.1.3 Cơ sở tính toán bộ thu phẳng..........................................................................45
3.1.3.1 Phương pháp xác định nhu cầu sử dụng nước nóng.....................................49
3.1.3.2 Phương pháp xác định dung tích bình chứa.................................................51
3.2 Những yêu cầu khi thi công thiết kế và lắp đặt thiết bị......................................56
3.2.1 Yêu cầu về tính toán.......................................................................................56
3.2.2 Yêu cầu về lắp đặt hệ thống............................................................................56
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN LƯỢNG NHIỆT VÀ ĐIỆN NĂNG TIẾT KIỆM KHI
SỬ DỤNG BỘ THU NLMT TẤM PHẲNG CÓ DUNG TÍCH BÌNH CHỨA 250

LÍT........................................................................................................................... 58
4.1 Cấu tạo bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng..................................................58
4.2 Nguyên lý hoạt động..........................................................................................58
4.3 Ưu điểm.............................................................................................................58
................................................................................................................................. 60
CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP VÀ PHÂN
PHỐI NƯỚC NÓNG CHO CÔNG TRÌNH............................................................60

Lớp ……

6

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

5.1 Xác định nhu cầu sử dụng nước nóng................................................................60
5.2 Cơ sở lý thuyết tính toán đường ống cấp nước..................................................64
5.2.1 Tiêu chuẩn về cấp nước bên trong nhà............................................................64
5.2.2 Lý thuyết tính toán mạng lưới cấp nước.........................................................69
5.3 Tính chọn ống trong mạng lưới cấp nước..........................................................70
5.3.1 Vật liệu sử dụng cho công trình......................................................................70
5.3.2 Tính toán đường ống cấp nước nóng..............................................................72
KẾT LUẬN.............................................................................................................75

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................76

Lớp ……

7

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH VÀ TIỀM
NĂNG SỬ DỤNG NLMT TẠI HÀ NỘI
1.1 Giới thiệu về thủ đô Hà Nội

Hình 1.1 :Hồ Gươm- Hà Nội
Hà Nội là thủ đô của nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam và
cũng là kinh đô của hầu hết các vương triều Việt trước đây. Do đó, lịch sử Hà
Nội gắn liền với thăng trầm lịch sử Việt Nam qua các thời kì. Hà Nội là thành
phố lớn nhất Việt Nam về diện tích với 3.324,92km ² sau đợt mở rộng hành
chính năm 2008, đồng thời cũng là địa phương đứng thứ 2 về dân số
7.500.000 người (2015). Hiện nay, thủ đô Hà Nội là đô thị loại đặc biệt của
Việt Nam.
Khí hậu của Hà Nội khá tiêu biểu cho kiểu khí hậu Bắc Bộ với đặc điểm
là khí hậu nhiệt đới gió mùa, mùa hè nóng, mưa nhiều và mùa đông lạnh, mưa

ít. Nằm trong vùng nhiệt đới, Hà Nội quanh năm tiếp nhận được lượng bức xạ
mặt trời rất dồi dào và nhiệt độ cao. Lượng bức xạ tổng cộng trung bình hằng
năm ở Hà Nội là 122,8kcal/cm² với 1641 giờ nắng và nhiệt độ không khí
trung bình hằng năm là 23,60C cao nhất là tháng 6 (32,80C), thấp nhất là tháng
Lớp ……

8

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Điện

GVHD: …….

1 (17,20C). Hà Nội có độ ẩm và lượng mưa khá lớn. Độ ẩm tương đối trung
bình hằng năm là 79%.
Lượng mưa trung bình hằng năm là 1.800mm và mỗi năm có khoảng
114 ngày mưa.
Đặc điểm khí hậu Hà Nội rõ nét nhất là sự thay đổi và khác biệt của hai
mùa nóng, lạnh. Từ tháng 5 đến tháng 9 là mùa nóng và mưa, nhiệt độ trung
bình 29,2oC. Từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau là mùa đông , thời tiết khô ráo,
nhiệt độ trung bình 15,2oC. Giữa hai mùa đó lại có hai thời kỳ chuyển tiếp
( tháng 4 và tháng 10). Cho nên có thể nói rằng Hà Nội có đủ bốn mùa Xuân,
Hạ, Thu, Đông.

Theo [2] ta có bảng :
Bảng 1.1 : Bảng thống kê nhiệt độ tại Hà Nội
Nhiệt độ trung
bình tháng

Cao nhất (oC)

Thấp nhất(oC)

Trung bình (oC)

1

20,4

13,8

17,2

2

20,4

11,7

18,1

3

23,1

17,5

20,7

4

27,3

20,8

24,2

5

31,7

23,9

26,6

6

32,8

25,5

29,8

7

32,2

25,7

29,2

8

32

25,4

29,1

9

30,9

24,3

28,3

10

28,8

21,6

26,1

11

25,6

18,2

23,1

12

22

15

19,3

Trung bình năm

27,3

20,5

23,6

Lớp ……

9

SVTH: ………

MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

1.2 Tổng quan về shophouse Vinhome Mỹ Đình Hà Nội

Hình 1.2 Shophouse Vinhome Mỹ Đình – Hà Nội
Vinhome Mỹ Đình – Hà Nội Là một tổ hợp trung tâm thương mại bao
gồm khu chung cư cao cấp Vinhomes The Arcadia, khu biệt thự liền kề the
Botanica,khu Shophouse hứa hẹn mang đến cho bạn những trải nghiệm mới
trong chính cuộc sống của mình….
Nằm ở phía Tây của thành phố Hà Nội gần với sân vận động quốc gia
Mỹ Đình cũng như các khu đô thị văn minh Vinhomes Mỹ Đình đang là sự
quan tâm hàng đầu trên thị trường bất động sản.
Xây dựng trên diện tích lên đến 17,5ha với tổng vốn đầu tư lên đến 8500
tỷ đồng sẽ là một trong những trung tâm sầm uất bậc nhất tại Mỹ Đình. Với
những thiết kế độc đáo theo phong cách riêng của từng căn hộ cùng những
tiện ích 5 sao của các tòa nhà như: trung tâm thương mại Vincom, bệnh viện

Lớp ……

10

SVTH: ………
MSV : …….

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

Vinmec, hệ thống trường học Vinschool cho bạn một không gian sống tiện ích
đầy đủ.
Shophouse là hình thức căn hộ nhà ở kết hợp với cửa hàng thương mại
còn có thể gọi với tên gọi khác là nhà phố thương mại. Đây là hình thức bất
động sản không mới trên thế giới, tại các quốc gia phát triển tại châu Á như
Singapore (dãy phố mua sắm Geylang), Malaysia (shophouse ở Penang,
Malacca),… các căn shophouse cũng làm mưa làm gió thị trường. Tuy mới
xuất hiện ở Việt Nam những năm gần đây nhưng shophouse cũng nhanh
chóng chứng tỏ mình và tạo nên cơn sóng đầu tư mạnh mẽ.

Lớp ……

11

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: …….

CHƯƠNG 2 : VAI TRÒ CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
TRONG CUỘC SỐNG HIỆN ĐẠI VÀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1 Mặt trời
2.1.1 Giới thiệu về mặt trời
Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng được mà con người có
thể quan sát được trong vũ trụ . Mặt trời cùng với các thiên thể của nó tạo ra
hệ mặt trời trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ 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 của chúng ta. Năng lượng mặt trời là một
trong những nguồn năng lượng sạch và vô tận và nó là nguồn gốc của nguồn
năng lượng khác trên trái đất. Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng
quý giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lượng
này một cách hiểu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm.
2.1.2 Cấu tạo của mặt trời
Mặt Trời giống như một cỗ máy phát nhiệt có cấu tạo phức tạp gồm nhiều
lớp. Trong cùng là lõi (core) của ngôi sao nó là một khối có mật độ rất đặc trải
rộng từ tâm ngôi sao ra một khoảng chiếm 25% bán kính của Mặt Trời. Nhiệt
độ của lõi Mặt trời là hơn 15 triệu K, nóng hơn rất nhiều so với bề mặt chỉ
khoảng 6000 K. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giải phóng ra năng lượng chống
lại hấp dẫn và làm ngôi sao tỏa sáng được thực hiện tại phần lõi này, mật độ
cao và lực hấp dẫn hướng tâm từ các lớp phài ngoài làm sinh ra phản ứng
tổng hợp các proton mà chúng ta thường gọi là phản ứng nhiệt hạch . Phía
ngoài lõi sao là vùng bức xạ (radiative zone) - khu vực chiếm thể tích lớn
nhất, nó trải dài từ biên giới của lõi ra đến 70% bán kính Mặt Trời (tính từ
tâm).
Vùng này có mật độ thấp hơn nhiều so với lõi, nhưng đủ đặc để truyền
các bức xạ sinh ra từ các phản ứng nhiệt hạch và làm chúng nguội đi đáng kể

Lớp ……

12

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

trước khi ra ngoài. Nhiệt độ của vùng bức xạ này giảm nhanh từ trong ra
ngoài, từ 7 triệu giảm xuống 2 triệu K. Vùng đối lưu (convective zone) nằm
kế tiếp vùng bức xạ và trải rộng ra cho tới sát bề mặt của Mặt Trời. Tại đây
nhiệt độ và mật độ đều thấp hơn nhiều so với vùng bức xạ, cho phép tạo nên
các dòng đối lưu vận chuyển nhiệt và bức xạ ra bề mặt của Mặt Trời. Các
dòng đối lưu mang các nguyên tử khí nóng lên bề mặt và làm chúng nguội
dần, khi lên tới nơi và đã nguội xuống nhiệt độ chỉ còn gần 6000 K chúng lại
chìm xuống dưới theo dòng chuyển dịch và lại được làm nóng khi tới gần
vùng bức xạ.
Lớp bề mặt của Mặt Trời, chính là phần vỏ sáng mà chúng ta có thể trực
tiếp nhìn thấy từ Trái Đất gọi là quang cầu (photosphere) . Đây là vùng nguội
nhất trên mặt trời với nhiệt độ khoảng 5800-6000K. Độ dày của nó dao động
từ vài chục tới vài trăm kilomet, tức là còn mỏng hơn khí quyển của Trái Đất.
Chính qua nghiên cứu các vạch quang phổ hấp thụ của quang cầu mà năm
1868 một nguyên tố mới đã được phát hiện, đó là heli. Heli là cái tên được đặt
theo tên của thần Mặt Trời Helios như đã nói qua bên trên , ngụ ý rằng đó là

nguyên tố đến từ Mặt Trời . Ngay phía trên quang cầu là lớp khí quyển thấp
nhất bao quanh bề mặt Mặt Trời, dày khoảng 500km với nhiệt độ chỉ khoảng
hơn 4000K. Đây là vùng nguội nhất Mặt Trời. Lớp ngay phía ngoài của nó là
một lớp khí nóng dày gọi là sắc cầu (chromosphere) dày khoảng 2000km. Lớp
này có sự chuyển dịch không ngừng giống như sự dịch chuyển khí quyển trên
bề mặt Trái Đất, vì thế nhiệt độ của nó có sự dao động, có thể lên tới
20.000K, tức là nóng hơn quang cầu rất nhiều, các nhà khoa học cho rằng đó
là kết quả của sự ion hóa do nhận bức xạ thoát ra từ bề mặt .
Phía trên sắc cầu là lớp cuối cùng của Mặt Trời, gọi là nhật hoa
(corona), hay gọi cách khác là hào quang của Mặt Trời. Nó ngăn cách với sắc
cầu bởi một lớp trung gian mỏng nơi khí bị ion hóa mạnh và nhiệt độ tăng lên
rất cao. Nhiệt độ của nhật hoa có thể lên hơn 1 triệu K. Tuy nhiên nhật hoa
phát ra bức xạ ở dải sóng biểu kiến khá yếu so với quang cầu nên thường
không được quan sát thấy bằng mắt thường từ Trái Đất. Người ta chỉ thường
nhận thấy sự có mặt của nhật hoa khi xảy ra nhật thực toàn phần do khi đó
Lớp ……

13

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

phần sáng nhất của Mặt Trời là quang cầu đã bị che khuất. Nhật hoa cũng là

nơi phát sinh ra gió Mặt Trời ném các hạt mạng điện vào không gian.
Toàn bộ vùng bị ảnh hưởng của gió Mặt Trời trải dài ra 50AU (quỹ đạo
Sao Hải Vương chỉ có 30AU) được gọi là nhật quyển (heliosphere).

Hình2.1:Cấu trúc của mặt trời
2.2 Năng lượng bức xạ
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các
phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban
đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất
mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện tứ đều có bản chất sóng và chúng khác
nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm mặt
trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng cúa chúng giảm đi và bây
giờ chúng ứng với bức xạ có sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ
Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ

Lớp ……

14

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Điện

GVHD: …….

thấp có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế bắt đầu
xảy ra.
Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt
trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10 -1
- 10 μm và hầu như một nữa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng
bước sóng 0,38 – 0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ.

Hình 2.2 : Dải bức xạ điện từ
Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia
trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí
quyển. Tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo
công thức :
q = φD-T.C0 (T/100)4
Ở đây φD-T : Hệ số góc bức xạ mặt trời và trái đất φD-T = β2/4
β: Là góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’
C0 = 5,67 W/m2.k4 – Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối T ≈ 57620K

Lớp ……

15

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: …….

Hình 2.3 Góc mặt trời
Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm
nên β cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn
nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời. Khi truyền qua
lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ
bởi tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng
được truyền trực tiếp tới trái đất. Đầu tiên oxy phân tử bình thường O2 phân
ly thành oxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có photon
bước sóng ngắn hơn 0,18 μm, do đó các photon có năng lượng như vậy bị hấp
thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử oxy kết hợp thành các phân tử,
còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử oxy khác để tạo thành
phân tử ozon O3, Ozon cũng hấp thụ bức xạ từ ngoại nhưng với mức độ thấp
hơn so với oxy, dưới tác dụng của các photon với bước song ngắn hơn 0,32
μm, sự phân tách ozon thành O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng
lượng của bức xạ từ ngoài được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp
nhất của O, O2, O3, đó là một quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua
khí quyển, bức xạ từ ngoài biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.

Lớp ……

16

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

Hình 2.4 : Quá trình truyền lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái
đất
Phần năng lượng mặt trời bức xạ tới truyền tới bề mặt trái đất trong
những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất trong khoảng
1000W/m2.
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một thời điểm
nào đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên
quảng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời
gian trong ngày, mùa vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của
trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quang mặt trời gây ra. Góc
nghiêng vào khoảng 66,50C và thực tế xem như chuyển động của nó đối với
mặt trời gây ra những dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm.
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố:
góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ
dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào
độ cao của mặt trời (góc giữa phương từ điểm quang sát đến mặt trời và mặt
phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức
xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đường đó gắn liền với sự
Lớp ……

17

SVTH: ………
MSV : …….

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Điện

GVHD: …….

tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa
lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có
thể xác định:
Eng = Eo(1+0,033.cos 360n ) (W/m2)
Trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông
góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
2.3 Các định luật về bức xạ.
2.3.1 Định luật Kirchhoff về bức xạ nhiệt cân bằng
Tỷ số giữa hệ số phát xạ đơn sắc r λ,T và hệ số hấp thụ đơn sắc aλ,T của
một vật bất kì ở trạng thái bức xạ nhiệt cân bằng không phụ thuộc vào bản
chất của vật đó mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T của nó và bước sóng λ của
chùm bức xạ đang xét:

ε λ,T =

rλ,T
a λ,T

Trong đó :
Hàm ɛλ,T là hàm số chung cho mọi vật nên được gọi là hàm phổ biến
Đối với vật đen tuyệt đối aλ,T = 1 nên: rλ,T = ε λ,T .1 = ε λ,T

Như vậy hàm phổ biến ɛλ,T chính là hệ số phát xạ đơn sắc của vật đen
tuyệt đối.
Đối với vật bất kì aλ,T < 1 nên theo định luật Kirchhoff ta có:
rλ,T = ε λ,T .aλ,T < ε λ,T
Sự phát xạ của một vật bất kì ứng với một bước sóng xác định bao giờ
cũng yếu hơn sự phát xạ của vật đen tuyệt đối ứng với cùng bước sóng và
nhiệt độ

Lớp ……

18

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

Điều kiện để một vật bất kì phát bức xạ
- Theo định luật Kirchhoff ta có: rλ,T = ε λ ,T .aλ ,T suy ra muốn rλ,T ≠ 0 thì
ελ,T ≠ 0; aλ,T ≠ 0

- Như vậy để một vật bất kì phát ra một bức xạ λ nào đó (rλ,T ≠ 0 )thì nó
phải hấp thụ bức xạ ấy ( aλ,T ≠ 0 ) và vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ
đó cũng phải phát ra được bức xạ ấy ( ε λ,T ≠ 0 )
2.3.1 Định luật Stefan-Boltzmann

Độ trưng năng lượng của vật đen tuyệt đối (năng suất phát xạ toàn phần)
tỷ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật:
E0 = σ 0 .T 4
ở đây σ 0 = 5, 67.10−8 (W / m2 .K 4 ) được gọi là hằng số bức xạ của vật đen tuyệt
đối.
2.3.2 Định luật Wien
Bước sóng λm trong phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối tương ứng với mật
độ phổ cực đại của độ trưng năng lượng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối T
của vật:
λm =

b
T

b = 2,9.10 −3 m.0 K gọi là hằng số dịch chuyển.

2.3.3 Định luật Plank
Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng lượng của bức xạ điện
từ một cách gián đoạn: Phần năng lượng phát xạ hay hấp thụ đó luôn luôn là
một bội số nguyên của một năng lượng nhỏ xác định gọi là lượng tử năng

Lớp ……

19

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Điện

GVHD: …….

lượng. Đối với một bức xạ điện từ đơn sắc tần số ν , bước sóng λ thì lượng tử
năng lượng tương ứng là:
ε = hν = h

c

λ

Trong đó h = 6,625.10 −34 J .s gọi là hằng số Planck.
c = 3.108m/s gọi là vận tốc ánh sáng trong chân không
Công thức Planck: Xuất phát từ thuyết lượng tử đó, Planck đã tìm ra biểu
thức tính năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối (hàm phân bố):
εν ,T =

2πν 2
.
c2

hν
ω3
1
= 2 3.
π c

 hν 
 ω 
exp
exp
 −1
 −1
 kT 
 kT  .

2.4 Phương thức tính toán năng lượng mặt trời
2.4.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm như sau : Hệ
số khối lượng không khí: m là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương
tia bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là
khi mặt trời ở thiên đỉnh). Như vậy m = 1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m = 2 khi
góc thiên đỉnh là θz là 60. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0 -70 0 có thể xác định
gần đúng m = 1/cos θz .Còn đối với các góc θz >70 0 thì độ cong của bề mặt
trái đất phải được đưa vào tính toán. Riêng đối với trường hợp tính toán bức
xạ mặt trời ngoài khí quyển m = 0.
Trực xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát
tán. Đây là dòng bức xạ có hướng và có cụ thể thu được ở các bộ phận thu
được kiểu tập trung (hội tụ).
Tán xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi hướng của nó đã bị thay đổi do
sự phát tán của bầu khí quyển.

Lớp ……

20

SVTH: ………

MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

Tổng xạ: Là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt ( phổ biến nhất là
tổng xạ trên bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt ).
Cường độ bức xạ (W/m2) : Là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến
một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ
bao gồm cường độ bức xạ Etrx, cường độ bức xạ tận Etrx và cường độ bức xạ
quang phổ Eqp.
Năng lượng bức xạ (J/m2) là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một
đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức
xạ là một đại lượng bằng tích phân trong một khoảng thời gian, nhất định
(thường là 1 giờ hay 1 ngày).
Giờ mặt trời: Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời
trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua
thiên đỉnh của người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong
mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức
xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó cụ thể
được xác định theo các góc đặc trưng sau:
Góc vĩ độ Ф, là vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía
nam đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương.
900≤ φ ≤ 900
Góc nghiêng β, là góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm

ngang 0≤ β ≤ 1800
(β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới)
1800 ≤γ ≤ 1800

Lớp ……

21

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Điện

GVHD: …….

Hình 2.5 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng
nghiêng.
Góc giờ ω là góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía động hoặc phía
tây kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và
lấy giá trị 150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu âm (-), buổi chiều lấy dấu
cộng (+). Góc tới ø, là góc giữa bức xạ bề mặt truyền tới bề mặt và pháp
tuyến của bề mặt đó.
Góc thiên đỉnh øz là góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức
xạ tới.
Trong trường hợp nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới ø. Góc

cao mặt trời αs là góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là
góc phụ của thiên đỉnh. Góc phương vị mặt trời γs , là góc lệch so với phương
nằm ngang của hình chiếu bức xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm
ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu
(+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.
Góc lệch δ là vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12
giờ (tức là khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của
xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng.
-23,450 ≤δ ≤ 23,450
Góc lệch δ có thể tính toán theo phương trình của cooper:
Lớp ……

22

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

δ = 23,45.sin[360.(284+n)/365]
Trong đó:
n là thứ tự ngày của 1 năm.
Quan hệ của các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương
trình giữa góc tới ø và các góc khác như sau:
cosø = sinδ.sinφ. cosβ - sinδ.cosφ. sinβ.cosγ + cosδ.cosφ.cosβ.cosω +

cosδ.sinφ.sinβ.cosγ .cosω + cosδ.sinβ.sinγ .sinω
và: cosθ = cosθz.cosβ + sinθz.sinβ.cos(γ s - γ )
Đối với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời θz,
giá trị của nó phải nằm trong khoảng 0o và 90o từ khi mặt trời mọc đến khi
mặt trời ở thiên đỉnh:
(β = 0): cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ
2.4.2 Tổng cường độ bức xạ lên bề mặt trái đất.
Tổng bức tán xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai
thành phần chính đó là trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ được khảo sát ở trên,
còn thành phần tán xạ thì khá phức tạp. Hướng của bức xạ khuếch tán truyền
tới bề mặt là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại
lượng này lại thay đổi khá nhiều. Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3
thành phần.
Thành phần tán xạ đẳng hướng: Là phần tán xạ nhận được đồng đều từ
toàn bộ vòm trời.
Thành phần tán xạ quanh tia: Là phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt
trời xung quanh tia mặt trời.
Thành phần tán xạ chân trời: Là phần tán xạ tập trung gần đường chân
trời.

Lớp ……

23

SVTH: ………
MSV : …….


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

Hình 2.6 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán
Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc Rg (còn gọi là albedo suất
phân chiếu) của mặt đất. Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ: bề mặt tuyết
xốp có Rg = 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần lượt
bị phát tán trở thành phần tán xạ chân trời.
Như vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nằm nghiêng là tổng của
các dòng bức xạ bao gồm: trực xạ E b, thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ
từ các bề mặt khác lân cận Er:
E = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er
Tuy nhiên việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy
người ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ của mặt đất là
đẳng hướng, nghĩa là tổng hợp của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ
phản xạ của mặt đất là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc
hướng của bề mặt. Như vậy tổng xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ
Eb.Bb và tán xạ trên mặt nằm ngang Ed.
2.5 Hiện trạng năng lượng mặt trời nước ta hiện nay
Trong thời đại khoa học kĩ thuật phát triển, nhu cầu năng lượng ngày
càng tăng. Trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ
đang dần cạn kiệt, giá thành cao, nguồn cung cấp không ổn định, nhiều nguồn
Lớp ……

24

SVTH: ………
MSV : …….

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Đồ án tốt nghiệp
GVHD: …….

năng lượng thay thế đang được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt là nguồn
năng lượng mặt trời. Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng này không
chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết
kiệm điện năng giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt
Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt
trời. Trải dài từ vĩ độ 23 023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực
có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến
thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là vùng Tây Bắc( Lai Châu, Sơn La, Lào
Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)
Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và
phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số
ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300
ngày/ năm. Năng lượng mặt trời có thể được khai thác cho hai nhu cầu sử
dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt.
2.6 Tổng quan các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ
rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và
trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở
những nước nhiều năng lượng mặt trời , những vùng sa mạc. Từ sau các cuộc
khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và năm 1973, năng lượng mặt trời
ngày càng được quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong
trong việc nghiên cứu ứng dụng mặt trời. Công nghệ năng lượng mặt trời
được mô tả rộng rãi như là năng lượng mặt trời thụ động hoặc năng lượng mặt

trời chủ động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối
năng lượng mặt trời. Kỹ thuật năng lượng mặt trời hoạt động bao gồm việc sử
dụng các tấm quang điện và năng lượng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng
lượng. Kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm các định hướng một
tòa nhà về phía mặt trời , lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc
tài sản ánh sáng phân tán và thiết kế không gian lưu thông không khí.

Lớp ……

25

SVTH: ………
MSV : …….