(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.35 MB, 112 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------
Nguyễn Đình Đáp
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC
NÓNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI PHỤC
VỤ SINH HOẠT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội, 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------
Nguyễn Đình Đáp
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC
NÓNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI PHỤC
VỤ SINH HOẠT
Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số: 60 85 02
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Đặng Đình Thống
Hà Nội, 2011
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
MỤC LỤC
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục bảng
Danh mục hình
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 9
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC CÔNG
NGHỆ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ......................................................................... 13
1.1. NGUỒN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ................................................................. 13
1.1.1. Bức xạ mặt trời .................................................................................................... 13
1.1.1.1. Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển ...................................... 14
1.1.1.2. Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất ........................................................... 19
1.1.2. Nguồn gốc năng lƣợng mặt trời .......................................................................... 24
1.2. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI .................................................................................................... 25
1.2.1. Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lƣợng mặt trời ....................... 25
1.2.2. Tình hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời trên thế giới ....................................... 27
1.2.3. Các hệ thống năng lƣợng mặt trời hội tụ (Concentrating solar power - CSP) .... 34
1.2.4. Công nghê ̣ Quang điê ̣n (Photovoltaics - PV) ...................................................... 36
1.2.5. Công nghê ̣ nhiê ̣t mă ̣t trời nhiê ̣t đơ ̣ thấ p ............................................................... 36
1.3. CƠNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI ĐỂ SẢN XUẤT NƢỚC NÓNG .................. 37
1.3.1. Hiệu ứng nhà kính và một số ứng dụng .............................................................. 37
1.3.1.1. Hiệu ứng nhà kính ................................................................................. 37
1.3.1.2. Một số ứng dụng hiệu ứng nhà kính trong cơng nghệ năng lƣợng mặt
trời ...................................................................................................................... 39
1.3.2. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời ............................................. 46
1.3.2.1. Nguyên lý chung ................................................................................... 46
1.3.2.2. Cấu tạo của hệ thống thiết bị đun nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời....... 47
1.3.2.3. Chu trình đối lƣu tự nhiên và chu trình đối lƣu cƣỡng bức .................. 50
1.3.2.4. Các loại bộ thu nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời ................................... 52
1.4. TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CỦA VIỆT NAM
....................................................................................................................................... 61
1.4.1. Tiề m năng năng lƣơ ̣ng mă ̣t trời của Viê ̣t Nam ................................................... 61
1.4.2. Cung cấp điện bằng năng lƣợng mặt trời ............................................................ 65
1.4.2. Cung cấp nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời .................................................. 67
1.4.4. Các ứng dụng khác .............................................................................................. 69
1.5. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƢU Ý KHI SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
....................................................................................................................................... 69
1.5.1. Đặc điểm không ổn định của năng lƣợng mặt trời .............................................. 69
1.5.2. Đối với các ứng dụng nhiệt mặt trời ................................................................... 70
HV: Nguyễn Đình Đáp
3
K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
1.5.3. Đối với điê ̣n mă ̣t trời ........................................................................................... 71
1.6. TÍNH KINH TẾ VÀ TRIỂN VỌNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ..................... 71
1.6.1. Tính kinh tế ......................................................................................................... 71
1.6.2. Triển vọng năng lƣợng mặt trời .......................................................................... 72
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 75
2.1. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................... 75
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................. 77
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................... 77
2.3.1. Các phƣơng pháp nghiên cứu thông dụng .......................................................... 77
2.3.2. Thu thập số liệu tự động SWH Data logger ........................................................ 78
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 83
3.1. TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI ................................... 83
3.2.1. Các đặc thù của Hà Nội ....................................................................................... 83
3.1.2. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời tại Hà Nội ......................................................... 83
3.2. HIỆN TRẠNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƢỚC NÓNG
MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI ............................................................................................. 85
3.2.1. Hiện trạng nghiên cứu ......................................................................................... 85
3.2.2. Công suất lắp đặt ................................................................................................. 86
3.3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ ĐUN NƢỚC NÓNG NĂNG LƢỢNG
MẶT TRỜI.................................................................................................................... 92
3.3.1. Kết quả thí nghiệm về nhiệt độ (đầu vào và ra) và lƣợng nƣớc sử dụng ............ 92
3.3.1.1. Nhiệt độ trung bình nƣớc lạnh vào và nƣớc nóng ra ............................ 92
3.3.2.2. Lƣợng nƣớc nóng sử dụng, thời gian sử dụng nƣớc nóng .................... 93
3.3.2. Các kết quả tính toán về tiết kiệm chi phí, năng lƣợng và mơi trƣờng của thiết bị
đun nƣớc nóng mặt trời ................................................................................................. 98
3.3.2.1. Tiết kiệm về điện năng .......................................................................... 98
3.3.2.2. Lƣợng phát thải CO2 giảm đƣợc ........................................................... 99
3.3.2.3. Lƣợng phát thải SO2 giảm đƣợc ......................................................... 100
3.3.2.4. Giảm phát thải bụi ............................................................................... 102
3.4. MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƢỚC NÓNG
BẰNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ......................................................................... 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 109
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 109
KIẾN NGHỊ: ............................................................................................................... 109
Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 111
HV: Nguyễn Đình Đáp
4
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Danh mục các từ viết tắt
BVMT
Bảo vệ môi trƣờng
BXMT
Bức xạ mặt trời
CN NLMT
Công nghệ năng lƣợng mặt trời
CTMTQG
Chƣơng trình Mục tiêu Quốc gia
ĐMT
Điện mặt trời
ĐNNMT
Đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời
NL
Năng lƣợng
NLMT
Năng lƣợng mặt trời
PV
Hiệu ứng quang điện (Photovaltaic)
TBNNMT
Thiết bị nƣớc nóng mặt trời
TTNLM
Trung tâm Năng lƣợng mới
Wp
Cơng suất nhiệt tiêu chuẩn (Watt - peak)
Wth
Công suất nhiệt (Watt - thermal)
HV: Nguyễn Đình Đáp
5
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Danh mục bảng
Bảng 1.1. Các giá trị δ, n tƣơng ứng theo ngày ............................................................ 16
Bảng 1.2. Phân bố bức xạ mặt trời theo bƣớc sóng ...................................................... 17
Bảng 1.3. Các nƣớc có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn (công suất trên 1MWp).. 29
Bảng 1.4. Các số liệu về hệ thống cung cấp nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời đã
lắp đặt tại một số nƣớc .................................................................................................. 30
Bảng 1.5. Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW) .................... 31
Bảng 1.6. Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới ...................................... 32
Bảng 1.7. Các nhà máy CSP đang hoạt động ................................................................ 35
Bảng 1.8. Kết quả kiểm tra thành phần nƣớc trƣớc và sau khi chƣng cất .................... 43
Bảng 1.9. Một số thông số về nhiệt độ của bếp trong quá trình sử dụng ...................... 45
Bảng 1.10. Tính chất của một số vật liệu dùng làm tấm phủ trong suốt....................... 49
Bảng 1.11. Năng lƣợng mặt trời trên các vùng lañ h thổ Viê ̣t Nam .............................. 61
Bảng 1.12. Số liệu về bức xạ mặt trời trung bình tại một số địa phƣơng ..................... 63
Bảng 1.13. Lộ trình phát triến nƣớc nóng mặt trời ....................................................... 68
Bảng 2.1. Lắp đặt các hệ thí nghiệm sử dụng thiết bị ĐNNMT ................................... 75
Bảng 3.1. Lƣợng tổng xạ cả ngày trung bình Qtb (đơn vị: kWh/m2.ngày) .................. 84
Bảng 3.2. Lƣợng tán xạ cả ngày trung bình Dtb (đơn vị: kWh/m2.ngày) ..................... 84
Bảng 3.3. Lƣợng trực xạ cả ngày trung bình Itb (đơn vị: kWh/m2.ngày) ..................... 84
Bảng 3.4. Số giờ nắng cả ngày trung bình (lý thuyết) N (đơn vị: giờ/ngày) ................ 84
Bảng 3.5. Số thiết bị nƣớc nóng mặt trời ...................................................................... 87
Bản 3.6. Tỷ lệ tham gia của các quận/huyện ................................................................ 88
Bảng 3.7. Số thiết bị, tổng dung tích bình chứa và tỷ lệ tăng trƣởng hàng năm ........... 91
Bảng 3.8. Nhiệt độ trung bình nƣớc vào và ra, lƣợng nƣớc nóng sử dụng trung bình
hàng ngày và lƣợng năng lƣợng tiết kiệm của các hộ thí nghiệm ................................ 92
Bảng 3.9. Múc phí đối với các khí thải gây ô nhiễm môi trƣờng ............................... 101
Bảng 3.10. Tổng hợp kết quả tiết kiệm điện và lợi ích mơi trƣờng của thiết bị ĐNNMT
..................................................................................................................................... 103
HV: Nguyễn Đình Đáp
6
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Danh mục hình
Hình 1.1. Quang phổ của bức xạ mặt trời ..................................................................... 19
Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo hộp thu năng lƣợng mặt trời hiệu ứng nhà kính ..................... 38
Hình 1.3. Thiết bị sấy nông sản năng lƣợng mặt trời.................................................... 40
Hình 1.4. Thiết bị đun nƣớc nóng dạng dãy ống và dạng tấm phổ biến trên thị trƣờng......... 41
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chƣng cất nƣớc ................................................ 42
Hình 1.6. Hệ thống chƣng cất nƣớc ngọt từ nƣớc biển lắp tại Bình Đại, Bến Tre (gồm
3 modul, mỗi modul có diện tích đón nắng 4m2) .......................................................... 44
Hình 1.7. Sơ đồ bếp mặt trời ......................................................................................... 44
Hình 1.8. Cấu tạo của một collecctor ............................................................................ 48
Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo bề mặt hấp thụ ........................................................................ 50
Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo của bình nƣớc nóng dạng ống chân khơng ........................... 50
Hình 1.11. Sơ đồ vòng đối lƣu tự nhiên của nƣớc trong bộ thu NLMT ....................... 51
Hình 1.12. Vòng đối lƣu tự nhiên trong bộ thu tấm - ống ............................................ 51
Hình 1.13. Hệ thống bộ thu hoạt động theo chu trình đối lƣu cƣỡng bức .................... 52
Hình 1.14. Bộ thu hộp kim loại vừa hấp thụ NLMT vừa là bình chứa (thiết kế của
Trung tâm Năng lƣợng mới, ĐHBKHN) ...................................................................... 53
Hình 1.15. Bộ thu kiểu tấm - ống (Hệ ĐNNMT 200 lít dùng cho gia đình) ................ 54
Hình 1.16. Các bộ thu kiểu cánh - ống.......................................................................... 55
Hình 1.17. Nguyên lý hoạt động bộ thu kiểu ống thuỷ tinh chân không ...................... 56
Hình 1.18. Bộ thu loại ống nhiệt (ảnh trái) và các ống nhiệt (hình phải) ..................... 57
Hình 1.19. Cấu tạo tiết diện ngang ống nhiệt (bên trái) và ống nhiệt (bên phải).......... 58
Hình 1.20. Cấu tạo ống nhiệt thuỷ tinh chân không với ống kim loại chữ U ............... 59
Hình 1.21. Sơ đồ hệ thống bộ thu ĐNNMT cho nhiệt độ thấp lắp cố định trên mái nhà ....... 60
Hình 1.22. Các bộ thu hội tụ máng và gƣơng parabol .................................................. 60
Hình 1.23. Sự biến đổi của cƣờng độ bức xạ mặt trời theo thời gian trong ngày ......... 64
Hình 2.1. Thiết bị ĐNNMT đƣợc lắp đặt tại hiện trƣờng ............................................. 76
Hình 2.2. Cấu tạo bên ngoài và các cổng tín hiệu của bộ thu thập số liệu tự động ...... 79
Hình 2.3. Cấu tạo bên trong, bo mạch chính và nguồn ni của bộ thu thập số liệu tự
động ............................................................................................................................... 79
Hình 2.4. Hệ đo và thu thập số liệu sau khi lắp đặt ...................................................... 80
HV: Nguyễn Đình Đáp
7
K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Hình 2.5. Giao diện kết nối với máy vi tính của SWH Data logger ............................. 81
Hình 2.6. Kết quả đo đƣợc lƣu lại dƣới dạng file excel ................................................ 81
Hình 3.1. Biểu đồ tỷ lệ tham gia lắp đặt và sử dụng thiết bị ĐNNMT của các
quận/huyện .................................................................................................................... 90
Hình 3.2. Biểu đồ tăng trƣởng hàng năm của thiết bị ĐNNMT (từ 2008 - 2010) ........ 91
Hình 3.3. Nhiệt độ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng (a và b) nhà Cô Yến ........................ 94
Hình 3.4. Nhiệt độ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng (a và b) nhà Ông Thịnh ................... 95
Hình 3.5. Nhiệt độ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng (a và b) nhà Ông Hội ....................... 95
Hình 3.6. Nhiệt độ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng (a và b) Nhà Ông Lam..................... 96
Hình 3.7. Nhiệt độ nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng (a và b) Trung tâm Năng lƣợng mới ...... 97
Hình 3.8. EVN triển khai chƣơng trình quảng bá sử dụng bình nƣớc nóng năng lƣợng
mặt trời ........................................................................................................................ 107
HV: Nguyễn Đình Đáp
8
K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
MỞ ĐẦU
Năng lƣợng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lƣợng mà con ngƣời biết sử dụng từ
rất sớm. Sử dụng NLMT hiện đang đƣợc cho là giải pháp tối ƣu nhất trong khi các
nguồn nguyên nhiên liệu hóa thạch đang dầu bị cạn kiệt. Đây là nguồn năng lƣợng
sạch, không gây ô nhiễm môi trƣờng và có trữ lƣợng vô cùng lớn do tính tái tạo cao.
Bƣớc vào thế kỷ 21, cơng nghệ sử dụng NLMT đang có xu hƣớng phát triển
mạnh. Hiện nay, nhiều nƣớc đã đầu tƣ rất lớn vào ngành công nghiệp NLMT, Nhật
Bản và Đức là hai quốc gia đứng đầu thế giới về ngành công nghiệp này. Ứng dụng
đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nƣớc nóng.
Các hệ thống đun nƣớc nóng bằng NLMT đã đƣợc sử dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên
thế giới. Đến nay, Trung Quốc đã lắp đặt nhiều hệ thống ĐNNMT, tƣơng đƣơng với
10,5GWth và đang là quốc gia dẫn đầu thế giới, chiến 60% tổng cơng suất lắp đặt của
tồn thế giới.
Các chƣơng trình thúc đẩy sử dụng NLMT đang đƣợc mở rộng trên thế giới. Tây
Ban Nha đã ban hành Luật Xây dựng có hiệu lực từ năm 2006, bắt buộc các tòa nhà
mới xây phải lắp đặt trên mái nhà hệ thống pin mặt trời, hệ thống đun nƣớc nóng bằng
năng lƣợng mặt trời (ĐNNMT), đặc biệt các Trung tâm thƣơng mại, cao ốc văn phòng,
khác sạn, bệnh viện, kho vận, trong đó quy định nƣớc nóng từ NLMT phải đáp ứng
đƣợc từ 30 - 70% nhu cầu tùy thuộc vào vùng khí hậu cụ thể. Ở Cape Town (Nam
Phi), Rome (Italia) đòi hỏi các tòa nhà xây dựng mới phải lắp đặt hệ thống ĐNNMT
nhằm đảm bảo 30 - 50% nhu cầu sử dụng hàng ngày…
Việt Nam đã xây dựng trên 100 trạm quan trắc để theo dõi các dữ liệu về NLMT
trên khắp lãnh thổ Việt Nam. Những số liệu quan trắc của các trạm cho thấy, năng
lƣợng bức xạ trung bình trên cả nƣớc mỗi ngày từ 4 - 6kWh/m2. Tiềm năng sử dụng
NLMT ở hầu khắp mọi vùng trong cả nƣớc.
Đối với mỗi hộ gia đình riêng việc đun nƣớc nóng cho sinh hoạt bình quân sinh
ra khoảng 30% tổng lƣợng khí thải CO2 của cả hộ gia đình tạo ra. Thông qua lắp đặt
HV: Nguyễn Đình Đáp
9
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
thiết bị ĐNNMT, thiết bị có khả năng cung cấp khoảng 80% nhu cầu năng lƣợng cần
thiết của chúng ta để đun nƣớc nóng. Theo ƣớc tính, cả nƣớc hiện có khoảng 2,5 triệu
bình đun nƣớc nóng bằng điện có cơng suất trong khoảng 2 - 5kW, hàng năm tiêu tốn
khoảng 3,6 tỷ kWh điện năng và sẽ tăng nhanh theo tốc độ xây dựng nhà ở, dịch vụ và
du lịch. Đây là một con số rất lớn cho thấy một thị trƣờng đầy tiềm năng đối với thiết
bị bình ĐNNMT.
Việt Nam có nhiều lợi thế phát triển hệ thống sử dụng NLMT. Trong đó, hiệu
quả nhất là sử dụng NLMT vào đun nƣớc nóng, đặc biệt ở khu vực thành thị, nơi
ngƣời dân có đời sống cao và có điều kiện sử dụng dịch vụ. Cho đến nay mặc dù
khẳng định rằng sử dụng NLMT thay cho việc sử dụng điện để đun nƣớc nóng (chủ
yếu cho sinh hoạt gia đình) là tiết kiệm điện năng và do đó đem lại các lợi ích về kinh
tế và mơi trƣờng, tuy nhiên vẫn chƣa có một cơng trình thực nghiệm nào (ít nhất là ở
Việt Nam) đo đạc, đánh giá hiệu quả thực tế của các lợi ích đó. Các số liệu về tiết kiệm
năng lƣợng, kinh tế của thiết bị ĐNNMT đã cho trên các tài liệu, tạp chí, trên các
phƣơng tiện truyền thông… đều chỉ là các con số ƣớc tính “lý thuyết”, độ tin cậy
khơng cao.
Việc phát triển hệ thống ĐNNMT đang gặp một số thách thức khó khăn nhƣ:
chƣa có chiến lƣợc, chính sách về tiết kiệm năng lƣợng; sự hỗ trợ của Nhà nƣớc về
đầu tƣ nghiên cứu và phát triển cũng nhƣ đầu tƣ về kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho
sản xuất, ứng dụng thiết bị ĐNNMT còn hạn chế; những điều kiện triển khai sử dụng
thiết bị cho từng khu vực cụ thể; sự không đồng bộ giữa thiết kế bình ĐNNMT và các
công trình xây dựng; giá thành của thiết bị ĐNNMT còn cao hơn so với sử dụng thiết
bị truyền thống; cách lắp đặt, vận hành thiết bị chƣa đƣợc phổ biến rộng rãi đến ngƣời
tiêu dùng…
Do vậy, cần có những nghiên cứu chi tiết, cụ thể về hiện trạng sử dụng, những
điều kiện áp dụng, triển khai, phát triển sử dụng các thiết bị ĐNNMT. Tính toán, đánh
giá, phân tích hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và mơi trƣờng làm cơ sở cho việc phát triển thị
trƣờng và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị ĐNNMT.
HV: Nguyễn Đình Đáp
10
K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Xuất phát từ những thực tiễn nêu trên, với sự hỗ trợ của Văn phịng tiết kiệm
năng lƣợng (Bộ Cơng Thƣơng) và Trung tâm nghiên cứu năng lƣợng mới (Đại học
Bách khoa Hà Nội), trong khuôn khổ một luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trƣờng, tác
giả tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng
năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt” đƣợc đặt ra với mục đích tìm hiểu những
điều kiện cơ bản để triển khai, lắp đặt thiết bị nƣớc nóng mặt trời, tính toán hiệu quả
về mặt tiết kiệm điện năng, kinh tế và môi trƣờng của việc sử dụng thiết bị nƣớc nóng
mặt trời dựa trên cơ sở khoa học và thực nghiệm. Từ đó, kiến nghị các giải pháp phát
triển sử dụng các thiết bị đun nƣớc nóng mặt trời ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói
chung.
Các nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu những đặc điểm kỹ thuật của thiết bị ĐNNMT, những yếu tố ảnh
hƣởng đến hiệu suất của thiết bị
- Nghiên cứu, đánh giá các tiềm năng, đặc thù của Hà Nội trong sử dụng thiết bị
ĐNNMT
- Điều tra, đánh giá hiện trạng sử dụng thiết bị ĐNNMT tại Hà Nội.
- Tiến hành thực nghiệm lắp đặt 05 hệ thống ĐNNMT có các bộ đo ghi tự động;
đo đạc, thu thập, xử lý số liệu và đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng, hiệu quả kinh
tế và môi trƣờng của của các hệ thống.
- Đề xuất một số giải pháp phát triển sử dụng thiết bị ĐNNMT phục vụ sinh hoạt.
Việc thực hiện đề tài nhằm giải đáp các câu hỏi nêu trên với những phân tích đầy
đủ bài toán kinh tế mơi trƣờng của việc sử dụng thiết bị ĐNNMT cho ngƣời dân thành
phố Hà Nội.
Hiện nay, các giải pháp công nghệ thân thiện với môi trƣờng và tiết kiệm năng
lƣợng đang đƣợc quan tâm, đầu tƣ nghiên cứu. Trong đó, sử dụng các nguồn năng
lƣợng tái tạo là giải pháp cứu cánh cho thách thức khủng hoảng năng lƣợng và biến
đổi khí hậu tồn cầu, là một mũi tên nhằm tới hai mục tiêu của sự phát triển bền vững.
HV: Nguyễn Đình Đáp
11
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Sử dụng năng lƣợng tái tạo là xu hƣớng đƣợc chọn lựa chọn để phát triển nguồn năng
lƣợng mới cho thế kỷ 21.
HV: Nguyễn Đình Đáp
12
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ
CÁC CÔNG NGHỆ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1. NGUỒN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Bức xạ mặt trời
Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đƣờng kính trung bình khoảng 1,36 triệu km
và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km. Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của
mặt trời vào khoảng 6.000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất
lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K. Mặt trời đƣợc xem là một lò phản ứng nhiệt
hạch hoạt động liên tục. Do luôn luôn bức xạ năng lƣợng vào trong vũ trụ nên khối
lƣợng của mặt trời sẽ giảm dần. Điều này dẫn đến kết quả là đến một ngày nào đó mặt
trời sẽ thơi khơng tồn tại nữa. Tuy nhiên, do khối lƣợng của mặt trời vô cùng lớn, vào
khoảng 1,991.1030kg, nên thời gian để mặt trời cịn tồn tại cũng vơ cùng lớn. Bên cạnh
sự biến đổi nhiệt độ rất đáng kể theo hƣớng kính, một điểm đặc biệt khác của mặt trời
là sự phân bố khối lƣợng rất khơng đồng đều. Ví dụ, khối lƣợng riêng ở vị trí gần tâm
mặt trời vào khoảng 100g/cm3, trong khi đó khối lƣợng riêng trung bình của mặt trời
chỉ vào khoảng 1,41g/cm3 [1].
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất khơng
hồn tồn ổn định mà dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung bình đã
trình bày ở trên. Trong kỹ thuật NLMT, ngƣời ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt
trời (Solar Constant). Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời đƣợc hiểu là lƣợng bức xạ
mặt trời (BXMT) nhận đƣợc trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngồi bầu khí quyển
và thẳng góc với tia tới. Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị
cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều.
Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2[1].
Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngồi bầu khí quyển và BXMT đến
trên mặt đất. Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu đƣợc dùng để
biểu diễn giá trị của lƣợng bức xạ khảo sát là G, I và H. Đơn vị của G là W/m2, đơn vị
HV: Nguyễn Đình Đáp
13
K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
của I và H là J/m2, trong đó thời gian tƣơng ứng với các ký hiệu I và H lần lƣợt là giờ
và ngày. Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT đƣợc hiểu là khoảng thời gian từ lúc
mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn.
1.1.1.1. Bức xạ mặt trời đến bên ngồi bầu khí quyển
Nói chung, BXMT đến bên ngồi bầu khí quyển (Extra Terrestrial Solar
Radiation) có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát cụ thể và có phƣơng rất rõ
ràng, đó là đƣờng nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát. Các khảo sát thực tế cho thấy - về
mặt giá trị - BXMT đến bên ngồi bầu khí quyển cũng có những biến đổi nhẹ. Có 2 lý
do gây ra sự biến đổi này: sự biến đổi lƣợng bức xạ xuất phát từ mặt trời do các hiện
tƣợng diễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biến đổi của khoảng cách từ mặt trời đến Trái
đất. Các nghiên cứu cho thấy, lý do thứ nhất chỉ gây ảnh hƣởng tối đa khơng quá
±1,5% , cịn lý do thứ hai có thể gây ảnh hƣởng đến ±3%. Tuy vậy, do nhiều nguyên
nhân khác nhau, đặc biệt là do sự khó khăn và phức tạp của hiện tƣợng, các kết quả
nghiên cứu về mức độ gây ảnh hƣởng của lý do thứ nhất khơng hồn tồn giống nhau.
Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cƣờng độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn
định và BXMT đến bên ngồi bầu khí quyển là BXMT đến trên mặt đất nhƣng khơng
tính đến ảnh hƣởng của bầu khí quyển. Gọi Gon là lƣợng BXMT đến một mặt phẳng có
diện tích 1m2 đặt thẳng góc với tia bức xạ và ở bên ngồi bầu khí quyển, ta có:
Gon = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)]
(1)
trong đó:
GSC - hằng số mặt trời, W/m2
n - số thứ tự của ngày trong năm (quy ƣớc lấy giá trị n của ngày 1 tháng1 là 1).
Nếu bề mặt khảo sát nằm ngang, giá trị G0 biểu diễn lƣợng BXMT đến mặt
phẳng có diện tích 1m2 đặt bên ngồi bầu khí quyển có giá trị là:
Go = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].CosθZ
(2)
Trong đó, θ là góc tới của tia trực xạ (là góc hợp bởi tia trực xạ và pháp tuyến
của bề mặt khảo sát); θz là góc tới đối với các bề mặt ngang
HV: Nguyễn Đình Đáp
14
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Gọi Ho (J/m2) là lƣợng BXMT đến mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m2 đặt
bên ngồi bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày, ta viết đƣợc:
Ho = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].(Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dt
Trong đó
δ: Góc lệnh của mặt trời (góc tạo bởi tia trực xạ và mặt phẳng xích đạo của Trái
đất;
φ: Góc phƣơng vị của bề mặt khảo sát (là góc tạo bởi hình chiếu lên mặt phẳng
nằm ngang của pháp tuyến của bề mặt khảo sát và phƣơng nam)
ω: Góc giờ của mặt trời (là góc tạo bởi tia trực xạ và đƣờng nối khải sát với vị trí
cao nhất của mặt trời trong ngày)
Khi đặt dt = a.dω, ta có:
Ho = a.GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].(Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dω
Trong các biểu thức trên, t có đơn vị là giây, ω có đơn vị là độ và biến đổi trong
khoảng từ -ωS cho đến +ωS (trong đó ω mang dấu âm nếu trƣớc giờ trƣa và mang dấu
dƣơng nếu sau giờ trƣa), tức là từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn. Sau khi
lấy tích phân, thu đƣợc: Ho = 2a.A.B
(3)
trong đó:
a = 3600.(180/15/), với a là góc cao của mặt trời
A = GSC.[1 + 0,033.Cos(360.n/365)]
B = Sinδ.Sinφ.ωS.(/180) + Cosδ.Cosφ.SinωS
Bên cạnh giá trị Ho, trong các tính toán về BXMT ngƣời ta cũng rất quan tâm đến
giá trị Hom (trong đó Hom là lƣợng BXMT đến trên mặt phẳng nằm ngang có diện tích
1m2 đặt bên ngồi bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày nhƣng là ngày điển hình của
tháng khảo sát). Theo định nghĩa, ngày điển hình của một tháng nào đó là ngày mà Ho
có giá trị gần nhất so với giá trị bức xạ trung bình của tháng đó. Bảng 1.1 dƣới đây
HV: Nguyễn Đình Đáp
15
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
trình bày cụ thể ngày điển hình của mỗi tháng (do Klein đề nghị) và các giá trị δ, n
tƣơng ứng.
Bảng 1.1. Các giá trị δ, n tương ứng theo ngày
Tháng
Ngày điển hình
δ, độ
N
1
17
-20,9
17
2
16
-13
47
3
16
-2,4
75
4
15
9,4
105
5
15
18,8
135
6
11
23,1
162
7
17
21,2
198
8
16
13,5
228
9
15
2,2
258
10
15
-9,6
288
11
14
-18,9
318
12
10
-23
344
Nguồn: [1]
Tƣơng tự nhƣ cách tính H0, có thể sử dụng các công thức đã trình bày ở trên để
xác định lƣợng BXMT đến một mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m2 đặt bên ngồi
bầu khí quyển trong thời gian 1giờ (ký hiệu là Io). Thay cận dƣới và cận trên của dấu
tích phân bằng ω1 và ω2 (thay vì -ωS và +ωS) sao cho ω2 - ω1 = 1 giờ. Tổng quát hơn,
HV: Nguyễn Đình Đáp
16
K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
khi cần xác định lƣợng BXMT trong một khoảng thời gian bất kỳ, có thể thay đổi các
cận của dấu tích phân sao cho hiệu số ω2 - ω1 đúng bằng khoảng thời gian khảo sát.
Các tia BXMT về nguyên tắc có bƣớc sóng gần nhƣ là từ 0 cho đến . Tuy
nhiên, do cƣờng độ các tia BXMT phân bố rất khơng đồng đều theo bƣớc sóng và do
phần lớn các tia BXMT tập trung trong vùng có bƣớc sóng ngắn, cho nên thực tế chỉ
quan tâm đến các tia bức xạ có bƣớc sóng trong khoảng từ 0,24m đến 50m.
Cƣờng độ của các tia bức xạ có bƣớc sóng < 0,24m và > 50m thật sự không
đáng kể [1].
Quang phổ của BXMT đƣợc trình bày trên hình 1.1; Số liệu về sự phân bố
BXMT theo bƣớc sóng đƣợc đƣa ra trong bảng 1.2, trong đó:
Gsc, - cƣờng độ bức xạ đơn sắc, W/m2
f0- - tỉ số giữa lƣợng bức xạ ứng với bƣớc sóng trong khoảng từ 0 đến và hằng
số mặt trời.
Bảng 1.2. Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng
, m
GSC,
f0-
, m
GSC,
f0-
, m
0,24
63,0
0,0014
0,47
2033
0,1817
1,0
748
0,6949
0,25
70,9
0,0019
0,48
2074
0,1968
1,2
485
0,7840
0,26
130
0,0027
0,49
1950
0,2115
1,4
337
0,8433
0,27
232
0,0041
0,50
1942
0,2260
1,6
245
0,8861
0,28
222
0,0056
0,51
1882
0,2401
1,8
159
0,9159
0,29
482
0,0081
0,52
1833
0,2538
2,0
103
0,9349
0,30
514
0,0121
0,53
1842
0,2674
2,2
79
0,9483
0,31
689
0,0166
0,54
1783
0,2808
2,4
62
0,9586
HV: Nguyễn Đình Đáp
17
GSC,
f0-
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
0,32
830
0,0222
0,55
1725
0,2938
2,6
48
0,9667
0,33
1059
0,0293
0,56
1695
0,3065
2,8
39
0,9731
0,34
1074
0,0372
0,57
1712
0,3191
3,0
31
0,9783
0,35
1093
0,0452
0,58
1715
0,3318
3,2
22,6
0,9822
0.36
1068
0,0532
0,59
1700
0,3444
3,4
16,6
0,9850
0,37
1181
0,0615
0,60
1666
0,3568
3,6
13,5
0,9872
0,38
1120
0,0700
0,62
1602
0,3810
3,8
11,1
0,9891
0,39
1098
0,0782
0,64
1544
0,4042
4,0
9,5
0,9906
0,40
1429
0,0873
0,66
1486
0,4266
4,5
5,9
0,9934
0,41
1751
0,0992
0,68
1427
0,4481
5,0
3,8
0,9951
0,42
1747
0,1122
0,70
1369
0,4688
6,0
1,8
0,9972
0,43
1639
0,1247
0,72
1314
0,4886
7,0
1,0
0,9982
0,44
1810
0,1373
0,75
1235
0,5169
8,0
0,59
0,9988
0,45
2006
0,1514
0,80
1109
0,5602
10,0
0,24
0,9994
0,46
2066
0,1665
0,90
891
0,6337
50,0
3,9.10-
1,0000
4
Nguồn: [1]
HV: Nguyễn Đình Đáp
18
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Cƣờng độ bức xạ đơn sắc, W/m2
2
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
Bƣớc sóng
2,4
2,6
Nguồn:
, m [1]
Hình 1.1. Quang phổ của bức xạ mặt trời
1.1.1.2. Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất
Khi các tia BXMT đi vào bầu khí quyển, do ảnh hƣởng của bầu khí quyển và các
vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia BXMT sẽ phải chịu hiện tƣợng hấp
thụ và phản xạ. Về cơ bản, hiện tƣợng hấp thụ các tia BXMT là do ôzôn và hơi nƣớc,
mức độ hấp thụ khác nhau tùy theo bƣớc sóng. Ứng với các tia cực tím có bƣớc sóng
nhỏ hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ các tia bức xạ của ơzơn rất mạnh, ứng với các tia
có bƣớc sóng lớn hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ của ôzôn giảm xuống đáng kể, khi
bƣớc sóng vƣợt quá 0,35m thì ôzôn không còn khả năng hấp thụ các tia bức xạ đƣợc
nữa (tuy nhiên, ở vùng lân cận bƣớc sóng 0,6m thì ơzơn vẫn cịn khả năng hấp thụ
một ít). Trong khi đó, hơi nƣớc có khả năng hấp thụ mạnh các tia hồng ngoại. Đặc
biệt, ở trong vùng lân cận các bƣớc sóng 1m, 1,4m và 1,8m thì khả năng hấp thụ
các tia hồng ngoại của hơi nƣớc rất mạnh. Chính hiện tƣợng hấp thụ làm giảm cƣờng
độ của các tia bức xạ và làm cho quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại,
có thể nói các tia bức xạ có bƣớc sóng lớn hơn 2,3m rất khó đến đƣợc bề mặt Trái đất
(trong vùng này, các tia hồng ngoại không chỉ bị hấp thụ bởi hơi nƣớc mà cịn bởi khí
CO2) . Cùng với hiện tƣợng hấp thụ, hiện tƣợng phản xạ làm một bộ phận của tia bức
xạ bị đổi phƣơng, do đó phƣơng của thành phần bị phản xạ khơng rõ ràng. Kết quả của
HV: Nguyễn Đình Đáp
19
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
các hiện tƣợng vừa nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cƣờng độ của các tia bức xạ
tổng càng giảm. Một cách tổng quát, ngƣời ta xem lƣợng bức xạ tổng đi vào bầu khí
quyển (Terrestrial Solar Radiation hay Total Solar Radiation) để đến một bề mặt khảo
sát nào đó trên mặt đất bao gồm hai thành phần là trực xạ (Beam Radiation) và khuếch
tán (Diffuse Radiation). Thành phần trực xạ có phƣơng rõ ràng, đó là đƣờng thẳng nối
từ mặt trời đến địa điểm khảo sát. Trong khi đó, đối với thành phần khuếch tán, việc
xác định phƣơng hƣớng và cƣờng độ của thành phần khuếch tán là khá phức tạp.
Các khảo sát cho thấy, vào những ngày bầu trời trong sáng, do sự hấp thụ bởi các
phân tử ơxy và ơzơn có trong bầu khí quyển ở tầm cao, bƣớc sóng nhỏ nhất của các tia
bức xạ đến bề mặt Trái đất chỉ vào khoảng 0,29m. Sự suy giảm cƣờng độ các tia bức
xạ mặt trời đến bề mặt Trái đất trong trƣờng hợp này là do ba ngun nhân sau đây:
- Sự hấp thụ có tính chọn lọc theo bƣớc sóng bởi hơi nƣớc, các phân tử ôxy, ôzôn
và CO2.
- Sự phân tán Rayleigh bởi các phân tử của các loại chất khí và các hạt bụi lơ
lửng có trong bầu khí quyển (kích thƣớc của các thành phần này rất nhỏ so với bƣớc
sóng của các tia bức xạ), kết quả của sự phân tán này là có khoảng phân nửa các tia
bức xạ bị phân tán quay trở lại không gian, khoảng phân nửa còn lại đến bề mặt đất
theo rất nhiều phƣơng khác nhau.
- Sự phân tán Mie (trong trƣờng hợp này kích thƣớc của các thành phần làm phân
tán các tia bức xạ lớn hơn bƣớc sóng của tia bức xạ) làm một phần các tia bức xạ bị
đổi hƣớng và một phần khác bị chính các thành phần này hấp thụ.
Vào những ngày có mây mù, cƣờng độ của các tia trực xạ bị giảm đi đáng kể.
Các quan sát thực tế cho thấy, một bộ phận các tia bức xạ sẽ bị phản xạ ngƣợc vào
không gian do các đám mây mù, một bộ phận khác bị các đám mây mù hấp thụ và bộ
phận còn lại sẽ đi đến mặt đất với tính chất của các tia khuếch tán.
Ta gọi tỉ lệ giữa tổng các tia bức xạ bị phản xạ ngƣợc trở lại không gian do nhiều
nguyên nhân khác nhau (do mây mù, do mặt đất, do bụi và các chất khí có trong bầu
HV: Nguyễn Đình Đáp
20
K16 Khoa học môi trường
Khoa Mơi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường
khí quyển) và tổng các tia bức xạ đến toàn bộ Trái đất là Albedo của hệ thống khí
quyển - mặt đất, giá trị của Albedo vào khoảng 30%.
Để đơn giản hóa việc xác định các đại lƣợng đặc trƣng của thành phần khuếch
tán, Hottel và Woertz giả sử thành phần khuếch tán phân bố đồng đều trong khắp bầu
trời. Giả thiết này hầu nhƣ chỉ phù hợp trong trƣờng hợp bầu trời có sƣơng mù, hoặc bị
che phủ bởi mây phân bố đều trong bầu trời. Vào những ngày trời trong (Clear Sky),
hầu hết những tia bức xạ khuếch tán có phƣơng gần giống với phƣơng của tia trực xạ.
a) Xác định cường độ bức xạ tổng đến bề mặt nghiêng
Gọi:
G, GT - cƣờng độ bức xạ tổng đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng
đang khảo sát.
Gb, GbT - cƣờng độ tia trực xạ đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng
đang khảo sát.
Gd, GdT - cƣờng độ thành phần khuếch tán đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề
mặt nghiêng đang khảo sát.
Ta có:
G = G b + Gd
(4)
GT = GbT + GdT
(5)
R = GT/G
(6)
Rb = GbT/Gb
(7)
Rd = GdT/Gd
(8)
Đặt:
Ta suy đƣợc:
R = Rb.(Gb/G) + Rd.(Gd/G)
(9)
Trong biểu thức (24), Rb có thể đƣợc tính nhƣ sau:
HV: Nguyễn Đình Đáp
21
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Rb = GbT/Gb = Cosθ/CosθZ
(10)
Bên cạnh thành phần khuếch tán do bầu trời, cịn có thành phần phản xạ do bề
mặt đất, thành phần này có giá trị khá đáng kể ở những nơi bề mặt đất bị tuyết phủ.
Liu và Jordan xem thành phần này nhƣ lƣợng bức xạ tổng đi đến một bề mặt nghiêng
bất kỳ bao gồm ba 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 trị (1+Cos)/2 đƣợc
hiểu là hệ số nhìn bầu trời (View Factor to the Sky) và giá trị (1-Cos)/2 đƣợc hiểu là
hệ số nhìn mặt đất (View Factor to the Ground) của bề mặt nghiêng này. ta có:
GT = GbRb + Gd.(1+Cos)/2 + (Gd + Gb)..(1-Cos)/2
(11)
Trong đó là hệ số phản xạ của mặt đất, Liu và Jordan đề nghị lấy = 0,2 đối
với bề mặt đất khơng có tuyết phủ và lấy = 0,7 đối với bề mặt đất có tuyết phủ. Kết
hợp các biểu thức (4), (6) và (11), ta có:
R = (Gb/G).Rb + (Gd/G).(1+Cos)/2 + .(1-Cos)/2
(12)
b) Lượng hóa mức độ trong sáng của bầu trời
Theo những giả thiết đã nêu về sự phân bố và hƣớng của tia khuếch tán, vào
những ngày bầu trời trong sáng ta xem nhƣ R = Rb, còn vào những ngày bầu trời bị
mây và sƣơng mù ta xem nhƣ Rd = 1. Rõ ràng, mức độ khuếch tán và hấp thụ các tia
bức xạ mặt trời thay đổi theo thời gian do trạng thái và đặc điểm của bầu khí quyển
khơng hồn tồn ổn định. Chính vì vậy ta cần phải chuẩn hóa khái niệm trong sáng của
bầu trời. Gọi b là hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ, ta có:
b = Gb/Go = ao + a1.e(-k/Cosθz)
(13)
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất cách xác định ao, a1 và k ứng với bầu trời đạt độ
trong sáng tiêu chuẩn có tầm nhìn xa 23km nhƣ sau:
a0S = 0,4237 – 0,00821.(6 – A)2
(14)
a1S = 0,5055 + 0,00595.(6,5 – A)2
(15)
HV: Nguyễn Đình Đáp
22
K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
kS = 0,2711 + 0,01858.(2,5 – A)2
(16)
trong đó:
A - độ cao của ngƣời quan sát, km;
Gb - thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong sáng tiêu chuẩn đến
1m2 bề mặt nằm ngang.
Công thức (13) sử dụng đƣợc cho bất kỳ giá trị nào của θZ ứng với độ cao khảo
sát nhỏ hơn 2,5km. Nếu vị trí khảo sát thuộc vùng nhiệt đới thì nên nhân thêm hệ số
hiệu chỉnh, cụ thể:
ao = 0,95.aOS
(17)
a1 = 0,98.a1S
(18)
k = 1,02.kS
(19)
Bên cạnh việc xác định thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong
sáng tiêu chuẩn, cần phải xác định cả thành phần khuếch tán tƣơng ứng để có thể tính
đƣợc giá trị bức xạ tổng. Gọi Gd là thành phần tia khuếch tán xuyên qua bầu trời có độ
trong sáng tiêu chuẩn đến 1m2 bề mặt nằm ngang, Liu và Jordan đã đề nghị cách xác
định hệ số xuyên qua bầu khí quyển d của các tia khuếch tán ứng với bầu trời có độ
trong sáng tiêu chuẩn nhƣ sau:
d = Gd/Go = 0,271 – 0,2939.b
(20)
Trong đó, b là hệ số xun qua bầu khí quyển của các tia trực xạ (trong công
thức 13)
Tuy nhiên, việc sử dụng các hệ số đã nêu khơng có tính thực tế cao do độ trong
sáng của bầu trời rất khác nhau tùy theo địa điểm và thời điểm khảo sát, do vậy
phƣơng pháp đã nêu chỉ có giá trị tham khảo.
Cần phải xác định rõ, việc xác định cƣờng độ bức xạ mặt trời đến trên mặt đất là
bài toán khơng hề đơn giản. Nói chung, tùy vào từng trƣờng hợp cụ thể mà ngƣời ta có
thể tìm kiếm phƣơng pháp thích hợp. Thơng thƣờng, trong các thí nghiệm khoa học
ngƣời ta thƣờng phải trực tiếp đo cƣờng độ bức xạ mặt trời, còn trong các nghiên cứu
HV: Nguyễn Đình Đáp
23
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Môi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
đánh giá tiềm năng ngƣời ta thƣờng phải xây dựng phƣơng pháp mô phỏng dựa trên
các cơ sở dữ liệu đã có.
1.1.2. Nguồn gốc năng lƣợng mặt trời
NLMT có vai trị quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát triển của các yến
tố sự sống trên trái đất.
Trƣớc hết, NLMT là nguồn năng lƣợng khổng lồ có tính tái sinh. NLMT đƣợc
sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để tạo
ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên mặt trời . Công suất bức xạ của mặt trời
là 3,865.1026W, tƣơng đƣơng với năng lƣợng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu
chuẩn. Nhƣng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.1016J/s hay tƣơng ứng với
năng lƣợng đốt cháy hết 6.106 tấn than đá.
Ngồi khí quyển trái đất (hay cịn gọi là ngồi vũ trụ) mật độ NLMT là
1.353W/m2. Nhƣng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quyển trái đất
(chiều dày khoảng 16km) nên bị mất mát khoảng 30% do các hiện tƣợng hấp thụ, tán
xạ bởi các phân tử khí, hơi nƣớc... của lớp khí quyển. Vì vật trên bề mặt trái đất, mật
độ bức xạ mặt trời chỉ còn khoảng 1.000W/m2. Mặc dù ở các vĩ độ khác nhau thì
NLMT khác nhau, nhƣng nhìn chung NLMT phân bố khắp trên bề mặt trái đất. Ở đâu
cũng có thể khai thác và ứng dụng nguồn năng lƣợng này.
Bản chất của BXMT là sóng điện từ có phổ bƣớc sóng trải từ 10-10m đến
1014m, trong đó mắt ngƣời có thể nhận biết đƣợc giải sóng có bƣớc sóng từ 0,4 đến
0,7m và đƣợc gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến). Vùng bức xạ điện từ có
bƣớc sóng nhỏ hơn 0,4m đƣợc gọi là vùng sóng tử ngoại. Cịn vùng có bƣớc sóng lớn
hơn 0,7m đƣợc gọi là vùng hồng ngoại. Do bản chất của sóng điện từ nên NLMT là
nguồn năng lƣợng khơng có phát thải, không gây ô nhiễm môi trƣờng hay đƣợc gọi là
nguồn năng lƣợng sạch.
Các thành phần của BXMT trên mặt đất:
HV: Nguyễn Đình Đáp
24
K16 Khoa học mơi trường
Khoa Mơi trường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường
Ngồi lớp khí quyển trái đất bức xạ mặt trời chỉ có một thành phần . Đó là các tia
mă ̣t trời đi thẳ ng phát ra từ mặt trời . Nhƣng khi tới mă ̣t đấ t, do các hiê ̣n tƣơ ̣ng tán xa ̣
trong lớp khí quyể n quả đấ t , bƣ́c xa ̣ mă ̣t trời bi biế
̣ n đổ i và gồ m 3 thành phần:
(1)- Thành phần trực xạ gồm các tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất
.
Nhờ các tia trƣ̣c xa ̣ này mà ta có thể nhin
̀ thấ y mă ̣t trời;
(2)- Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất từ mọi phƣơng
trên bầ u trời do hiê ̣n tƣờng tán xa ̣ của tia mă ̣t trời trên các phân tƣ̉ khí , hơi nƣớc, các
hạt bụi,…. Nhờ các tia tán xa ̣ này mà chúng ta vẫn có ánh sáng ngay cả nhƣ̃ng ngày
mây mù , không thể nhiǹ thấ y mă ̣t trời, ở trong nhà, dƣới bóng cây,…;
Tổ ng hai thành phầ n trên đƣơ ̣c go ̣i là tổ ng xa ̣ của bƣ́c xa ̣ mă ̣t trời ở mă ̣t đấ t . Các
Trạm Khí tƣơ ̣ng thƣờng đo các thành phầ n này nhiề u lầ n trong mô ̣t ngày và liên tu ̣c
trong nhiề u năm để có số liê ̣u đánh giá tiề m năng NLMT .
Tỷ lệ của các thành phần trực xạ và tán xạ trong tổng xạ phụ thuộc vào điều kiện
tƣ̣ nhiên và tra ̣ng thái thời tiế t của điạ điể m và thời điể m quan sát hay đo đa ̣c . Ví dụ ở
nƣớc ta, trong các tháng mùa Hè , tƣ̀ tháng 5 đến tháng 8, thì thành phần trực xạ chiếm
ƣu thế (trên 50%), cịn trong mùa Đơng , tƣ̀ tháng 12 đến tháng 2 năm sau thành phầ n
tán xạ lại chiếm ƣu thế.
(3)- Thành phần phản xạ từ mặt nền ở nơi quan sát hay nơi đặt bộ thu NLMT , nó
phụ thuộc vào hệ số phản xạ của mặt nền và tổng xạ tới
. Thành phần này chỉ đƣợc
phân biê ̣t khi thiế t kế , tính toán các bộ thu NLMT . Trong trƣờng hơ ̣p chung nó là mô ̣t
phầ n rấ t nhỏ trong thành phầ n bƣ́c xa ̣ tán xa ̣.
1.2. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI
1.2.1. Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lƣợng mặt trời
NLMT trung bình trên bề mă ̣t quả đấ t nằ m trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay
tƣ̀ 3,5 đến 7,0kWh/m2 ngày.
HV: Nguyễn Đình Đáp
25
K16 Khoa học mơi trường
