THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG TỈNH QUẢNG NGÃI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

VÕ HOÀNG HẢI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG TỈNH QUẢNG NGÃI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

VÕ HOÀNG HẢI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG TỈNH QUẢNG NGÃI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 60. 58. 02. 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. DƢƠNG MINH QUÂN

Đà Nẵng - Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác. Trong luận văn có trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt
Nam, của một số tổ chức khoa học trên thế giới về hệ thống năng lƣợng mặt trời, tham
khảo một số luận văn.

Tác giả luận văn

VÕ HOÀNG HẢI


MỤC LỤC

Trang
TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................ IV
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ IX
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ................................ 4
1.1 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ...................................................... 4
1.2. BỨC XẠ MẶT TRỜI .............................................................................................. 6
1.3. TÍNH TỐN BỨC XẠ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ............................................ 9
1.3.1. Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ .....................................................................9
1.3.2. Bức xạ mặt trời ngồi khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang ...............................11
1.3.3. Tổng cƣờng độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất .....................................12
1.4. CÁC ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ................................................. 14

1.5. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 15
CHƢƠNG 2:TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH QUẢNG
NGÃI VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TẠI TRƢỜNG ĐAI HỌC
PHẠM VĂN ĐỒNG - QUẢNG NGÃI......................................................................... 16
2.1 TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI QUẢNG NGÃI: ....................... 16
2.2. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN, KHẢ NĂNG CUNG CẤP VÀ TIÊU THỤ ĐIỆN
CỦA TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI. .......................... 21
2.2.1. Thông tin chung ...................................................................................................21
2.2.2. Sơ đồ tổ chức .......................................................................................................21
2.2.3. Năng lƣợng cung cấp và tiêu thụ .........................................................................23
2.3 HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TẠI TRƢỜNGĐẠI HỌC PHẠM
VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI . .................................................................................. 25
2.3.1. Số liệu thu thập và biểu đồ phụ tải ngày của Nhà trƣờng ...................................25
2.3.2. Hệ thống thiết bị Nhà trƣờng ...............................................................................26
2.4. Kết luận.................................................................................................................277
CHƢƠNG 3:CÁC MƠ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG ........................................ 29
MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG .............................................................................. 29
3.1. MƠ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG ..... 29
3.1.1. Mơ hình biến đổi độc lập khơng kết lƣới ............................................................29
3.1.2. Mơ hình biến đổi có kết lƣới ...............................................................................31
3.2. CÁC BƢỚC TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG .............................................................. 32


3.2.1. Các lƣu ý ..............................................................................................................32
3.2.2. Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời ...................................32
3.2.3. Các bƣớc thiết kế .................................................................................................34
3.3. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 38
CHƢƠNG 4:ÁP DỤNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................ 40
PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM

VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI .................................................................................... 40
4.1. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
CHO TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI: .......................... 40
4.1.1. Lựa chọn mơ hình biến đổi năng lƣợng mặt trời thành điện năng ......................40
4.1.2. Xác định vị trí lắp đặt và quy mơ cơng suất ........................................................41
4.2 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CƠNG NGHỆ ............................................................... 43
4.2.1 Hệ thống pin .........................................................................................................43
4.2.2. Bộ biến đổi điện mặt trời .....................................................................................49
4.2.3 Tủ đấu nối DC và thiết bị giám sát Webbox ........................................................50
4.3. TỔNG HỢP PHƢƠNG ÁN TÍNH TỐN, THIẾT KẾ ......................................... 52
CHƢƠNG 5:MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI,PHÂN
TÍCH KẾT QUẢ. TÍNH TỐN CHI PHÍ DỰ ÁN ...................................................... 55
5.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN LẮP ĐẶT ............................................................. 55
5.1.1 Giới thiệu phần mềm PVsyst ................................................................................55
5.1.2 Mô phỏng hệ thống pin năng lƣợng mặt trời lắp đặt ............................................55
5.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ......................................................................................... 58
5.2.1 Q trình làm việc của hệ thống ...........................................................................58
5.2.2 Sản lƣợng điện và hiệu suất ..................................................................................61
5.3. TỔNG MỨC ĐẦU TƢ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CHO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI .................................... 66
5.3.1. Chi phíđầu tƣ xây dựng ......................................................................................66
5.3.2. Chi phí vận hành, bảo dƣỡng và nhân viên: .......................................................68
5.3.3. Các chi phí khấu hao hằng năm (CPKH) ............................................................68
5.3.4 Phân tích tính hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời ....................................68
5.4 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 70


TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNGMẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI

Học viên: Võ Hoàng Hải - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202 Khóa: 34DCH.QNg Trƣờng Đại học Bách khoa –
ĐHĐN
Tóm tắt –Nhu cầu phụ tải ngày càng tăng cao cơng thêm sự thiếu hụt nhiên liệu hóa
thạch làm cho các vấn đề cung điện năng gặp nhiều ảnh hƣởng. Đồng thời, với
Quyết định 28/2014/QĐ-TTg cho thấy giá điện ngày một tăng cao và theo một lộ
trình do EVN đề xuất. Điều này đòi hỏi các phụ tải sử dụng nhiều năng lƣợng phải
có các giải pháp tiết kiệm hoặc có các dạng năng lƣợng thay thế với giá thành rẻ
hơn. Hiện nay, các dạng năng lƣợng tái tạo đang phát triển mạnh mẽ, trong đó có
loại hình năng lƣợng mặt trời lắp mái, một giải pháp ngày càng đƣợc ứng dụng rộng
rãi và là giải pháp tốt giảm thiểu sự phụ thuộc vào lƣới điện. Đối với trƣờng Đại học
Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi, nhà trƣờng muốn đƣa dạng năng lƣợng mặt trời lắp
mái vào sử dụng để chủ động hơn và giảm sự phụ thuộc vào nguồn điện phân phối
22kV của địa phƣơng, đồng thời góp phần nhỏ trong sự phát triển của năng lƣợng
tái tạo và giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trƣờng. Từ các số liệu thu thập
đƣợc, luận văn đã trình bày cách thức thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lƣới dạng
lắp mái. Quá trình thiết kế đƣợc trình bày rõ ràng và áp dụng vào thực tế cho trƣờng
Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi. Các kết quả đƣợc đƣa ra phân tích về hai
phƣơng diện kỹ thuật và kinh tế thông qua phầm mềm PVsyst, từ đó dƣa ra hƣớng
phát triển tiếp theo.
Từ khố – Năng lƣợng tái tạo; Pin mặt trời; hệ thống mặt trời lắp mái; Trƣờng Đại
học Phạm Văn Đồng; PVsyst.

CALCULATION AND PROPOSITION OF ENERGY SAVING SOLUTIONS
FOR PHAM VAN DONG UNIVERSITY – QUANG NGAI
Summary - The increasing demand along with extra load and the shortage of fossil
fuels lead to power supply problems. At the same time, according to the Circula
No.28/2014/QD-TTg, electricity price are rising on a roadmap proposed by EVN.

This requires energy-intensive loads to consume cost-effective alternatives or
alternative energy at lower cost. Nowadays, renewable energy are developing
rapidly, including solar rooftops -a method that is commonly being used and a best
solution to minimize grid dependence. In terms of Pham Van Dong University -


Quang Ngai province, the universitydesires to put solar rooftops into use to be more
active in energy consumption and reduce the dependence on local power distribution
22kV. In addtion, the university might be a contributor for the development of
renewable energy and minimize negative impacts on the environment. From the data
collected, the article presents how to design rooftop solar panelsystem. The design
process is clearly presented and applied in practice to Pham Van Dong University Quang Ngai. The results are analyzed following the technical-economic criteria
through the PVsyst software, resulting to the next developing direction.
Keywords – calculation and proposition; energy saving solutions; energy saving;
Pham Van Dong University; Energy saving study.


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số
hiệu
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.1

3.2
4.1
4.2
4.3
4.4
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7

Tên bảng

Trang

Đặc trƣng tổng nhiệt độ trung bình năm ở các khu vực Quảng Ngãi
Đổ ẩm trung bình tháng, năm (%)
Bức xạ tổng cộng thực tế tháng và năm (kWh/m2)
Bức xạ tổng cộng thực tế trung bình ngày tại một số địa điểm trong
tỉnh Quảng Ngãi
Kết quả tính tốn bức xạ mặt trời
Bảng tổng kết điện năng trong năm 2017
Bảng tổng hợp công suất (kW) các giờ trong ngày tại Trƣờng (trung
bình)
Danh mục các loại đèn chiếu sáng
Danh mục các thiết bị phục vụ toàn trƣờng
Bảng số liệu thống kê phụ tải
Tiết diện dây chọn lựa

Thông số kỹ thuật bộ biến đổi điện mặt trời SMC 5000A
Tủ đấu nối DC
Thông số kỹ thuật của Webbox
Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống mặt trời tại nhà trƣờng
Tổng hợp thơng số một nhóm
Sản lƣợng điện năng sản xuất và tổn hao trong tồn hệ thống
Chiphí giacơng, lắp dựng giá đỡ ắcquy dànpinmặt trời (PXD)
Chiphímuathiếtbị Hệ thống pin mặt trời (PTB)
Chi phí tƣ vấn đầu tƣ xây dựng (PĐT)
Các phụ phí phát sinh khác ( PK)
Bảng tổng kết cho việc lắp đặt hệ thống pin mặt trời

16
17
17
18
20
23
25
26
26
33
38
50
51
52
52
57
65
67

67
67
68
69


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
hiệu
1.1
1.1
1.3
1.4

Tên bảng

Bên ngồi mặt trời
Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển
Dải bức xạ điện từ
Góc nhìn mặt trời
Q trình truyền năng lƣợng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của
1.5
Trái Đất
1.6 Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm
Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng
1.7
nghiêng
1.8 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán
1.9 Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng
1.10 Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng

2.1 Bản đồ phân bố tổng xạ trung bình năm (kcal/cm2/năm)
Bản đồ phân bố số giờ nắng trung bình năm của khu vực Quảng
2.2
Ngãi
2.3 Trụ sở Trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi
2.4 Sơ đồ tổ chức Nhà Trƣờng
2.5 Đồ thị phụ tải tháng của Trƣờng
2.6 Sơ đồ nối điện toàn trƣờng
2.7 Đồ thị phụ tải ngảy của Trƣờng
3.1 Hai mô hình sử dụng hệ thống PV độc lập
3.2 Mơ hình biến đổi độc lập
3.3 Hệ thống PV độc lập có nguồn lƣu trữ
3.4 Hệ thống PV có nguồn cấp dự phịng
3.5 Mơ hình hệ thống PV độc lập kết hợp với điện lƣới
3.6 Mơ hình hệ thống PV liên kết với điện lƣới
3.7 Góc nghiêng β của hệ thống
3.8 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời
3.9 Bộ chuyển đổi DC-AC
4.1 Mơ hình hệ thống cung cấp điện từ năng lƣợng mặt trời
4.2 Mặt bằng vị trí khảo sát lắp đặt pin
4.3 Tấm pin mặt trời ZBR-300M
4.4 Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của pin mặt trời
4.5 Đặc tính tầm khi bức xạ thay đổi ( ở nhiệt độ 25oC )
Đặc tính tấm pin thơng qua mơ phỏng khi nhiệt độ thay đổi (ở bức
4.6
xạ 1000W/m2)
4.7 Các thức đặt tấm pin

Trang
5

5
6
7
8
9
10
12
13
14
19
19
21
22
23
24
25
29
29
30
31
31
32
34
34
37
40
41
43
45
46

47
48


4.8 Các chi tiết lắp đặt hệ thống pin
4.9 Sơ đồ đấu nối dàn pin mặt trời vào hệ thống
4.10 Mơ hình kết nối dạng chuỗi (string inverter)
Sơ dồ đấu nối dàn năng lƣợng mặt trời vài hệ thống điện của nhà
4.11
trƣờng
5.1 Địa điểm lắp đặt pin
5.2 Dữ liệu về bức xạ và nhiệt độ tại vị trí lắp đặt
5.3 Mơ phỏng góc nghiêng lắp đặt hệ thống pin
5.4 Mơ phỏng cách thức lắp đặt hệ thống pin
5.5 Quá trình mô phỏng thông số pin và bộ chuyển đổi (cho 1 nhóm)
5.6 Đồ thị phân bố nhiệt độ làm việc của 1 nhóm pin
5.7 Đồ thị phần bố bức xạ làm việc của 1 nhóm pin
5.8 Đồ thị phân bố điện áp làm việc của 1 nhóm pin
5.9 Đồ thị phân bố cơng suất đầu ra 1 nhóm pin (hệ thống biến tần)
5.10 Đồ thị cơng suất các nhóm pin qua các tháng
5.11 Sản lƣợng điện năng của một nhóm pin qua các tháng
5.12 Hiệu suất chuyển đổi của nhóm pin qua các tháng
5.13 Thông số cụ thể về sản lƣợng điện phát ra của nhóm pin
5.14 Biểu đồ tổn thất trong nhóm pin

49
50
51
53
55

56
56
57
58
59
59
60
60
61
62
62
63
64


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năng lƣợng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con ngƣời và là một yếu tố
không thể thiếu đƣợc của hoạt động kinh tế. Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo nhu
cầu năng lƣợng cho phát triển kinh tế, xã hội ngày càng tăng mạnh, việc đáp ứng nhu
cầu năng lƣợng thực sự là một thách thức đối với hầu hết mọi quốc gia và nó đang trở
thành một vấn đề bức thiết tồn cầu. Nguồn năng lƣợng hóa thạch đang ngày càng bị
cạn kiệt, đồng thời ô nhiễm môi trƣờng ngày càng trở nên nghiêm trọng. Nhu cầu tìm
ra loại năng lƣợng mới, xanh sạch và có thể tái tạo đƣợc,…thay thế nguồn năng lƣợng
hóa thạch truyền thống là bài toán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển nhƣ
Anh, Mỹ, Pháp và các quốc gia đang phát triển nhƣ Việt Nam …
Hiện nay, trƣớc thách thức về thay đổi khí hậu, cạn kiệt nguồn tài nguyên khoáng
sản, các nguồn năng lƣợng tái tạo và năng lƣợng sạch dần đƣợc đƣa vào để thay thế

cho các nguồn năng lƣợng khoáng sản.Một trong các nguồn năng lƣợng đó là nguồn
năng lƣợng mặt trời. Việc nghiên cứu sử dụng pin năng lƣợng mặt trời ngày càng đƣợc
quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lƣợng và vấn đề cấp bách về môi
trƣờng hiện nay. Năng lƣợng mặt trời đƣợc xem nhƣ là dạng năng lƣợng ƣu việt trong
tƣơng lai, đó là nguồn năng lƣợng sạch, sẵn có trong thiên nhiên. Do vậy năng lƣợng
mặt trời ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nƣớc trên thế giới.
Việt nam đƣợc xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về NLMT, đặc biệt ở
miền Trung và miền Nam, với cƣờng độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5
kWh/m2.Với ƣu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hồn tồn có thể sử dụng nguồn
năng lƣợng mặt trời đầy tiềm năng này.
Những năm gần đây, việc nghiên cứu, sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời đang
đƣợc nhà nƣớc quan tâm. Tuy nhiên, dù có nguồn tài nguyên năng lƣợng mặt trời lớn
nhƣng sau một thời gian phát triển, việc ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt
trời vào cuộc sống cũng chƣa cao và chƣa đƣợc khai thác hiệu quả do thiếu kinh phí và
chƣa đƣợc phổ biến rộng rãi.
Tỉnh Quảng Ngãi là khu vực miền Trung của Việt Nam, nơi có tổng số giờ nắng
và cƣờng độ bức xạ nhiệt cao (trung bình xấp xỉ 5 kWh/m2/ngày), đƣợc đánh giá là
khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lƣợng mặt trời. Do đó việc chọn đề tài “Thiết kế
hệ thống Pin năng lượng mặt trời cấp điện cho trường Đại học Phạm Văn Đồng Quảng Ngãi”vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng điện nhƣng khơng phụ thuộc hồn tồn
vào nguồn điện lƣới, đồng thời góp phần vào việc nghiên cứu và nhân rộng mơ hình sử
dụng năng lƣợng sạch trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi.


2

2. Mục đích nghiên cứu
Xuất phát từ thực tế về nhu cầu năng lƣợng gần đây ở Việt Nam ngày càng tăng
caodẫn đến tình trạng thiếu hụt điện năng và kết quả là ngành điện phải thực hiện tiết
giảm điện, phải cắt điện luân phiên phụ tải sử dụng điện tại thời điểm thời tiết nắng
nóng, khơ hạn làm ảnh hƣởng đến nhu cầu sử dụng năng lƣợng. Mục tiêu của đề tài là

nghiên cứu giải pháp sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời thành điện năng cung cấp
cho tòa nhà của trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng, giảm thiểu tình trạng lệ thuộc hồn
tồn nguồn năng lƣợng tiêu thụ từ lƣới điện đồng thời từng bƣớc góp phần tăng tỷ
trọng sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời và giảm tác động đến môi trƣờng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Nguồn bức xạ mặt trời tại nơi triển khai mơ hình hệ thống điện dùng năng lƣợng
mặt trời.
- Nhu cầu điện năng trong các tịa nhà.
- Hệ thống chiếu sáng tại tồ nhà.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Tổng quan về năng lƣợng mặt trời. Khảo sát, phân tích hiện trạng sử dụng năng
lƣợng tại tồ nhà trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng, tìm hiểu các mơ hình biến đổi năng
lƣợng mặt trời thành điện năng để triển khai áp dụng tạitoà nhà trƣờng Đại học Phạm
Văn Đồng.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Khảo sát thực địa.
- Trên cơ sở phân tích lý thuyết và các mơ hình biến đổi năng lƣợng mặt trời thành
điện năng, kết hợp với phƣơng pháp tính tốn triển khai tại tồ nhàtrƣờng Đại học
Phạm Văn Đồng.
5. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài
Từ thực tiễn và cụ thể là những đặc điểm, đặc trƣng của năng lƣợng mặt trời trong
bối cảnh nguồn năng lƣợng truyền thống ngày một cạn kiệt cùng với vấn đề ô nhiễm
môi trƣờng bắt buộc con ngƣời phải đi tìm tịi khám phá và khai thác các nguồn năng
lƣợng mới - nguồn năng lƣợng tái tạo thân thiện với môi trƣờng phục vụ cho nhu cầu
năng lƣợng ngày một tăng của con ngƣời.
Với quan niệm khơng phụ thuộc hồn tồn vào nguồn điện năng từ lƣới, an tồn
cho mơi trƣờng”. Tác giả muốn nghiên cứu triển khai giải pháp ứng dụng nguồn năng

3

lƣợng mặt trời khơng chỉ tại tồ nhà trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng mà còn ứng dụng
cho các khu vực chƣa có nguồn điện lƣới và các tịa nhà có sử dụng nguồn năng lƣợng
lớn trên địa bàn tỉnh nhƣ tòa nhà của các khách sạn, bệnh viện, trƣờng học,….
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn đƣợc trình bày thành 5 chƣơng và đƣa ra Kết luận:
Chƣơng 1: Lý thuyết tổng quan về năng lƣợng mặt trời
Trình bày lý thuyết tổng quan về năng lƣợng mặt trời, nguyên lý chuyển đổi quang
năng thành điện năng, các loại vật liệu sử dụng trong pin năng lƣợng mặt trời, các yếu
tố ảnh hƣởng đến sự phát điện của hệ thống năng lƣợng mặt trời, ...
Chƣơng 2: Tiềm năng năng lƣợng mặt trời tại Quảng Ngãi, tình hình sử dụng
năng lƣợng tại toà nhà trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng
Giới thiệu khái quát về Tiềm năng năng lƣợng mặt trời tại Quảng Ngãi; Nêu Tình
hình sử dụng năng lƣợng tại trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng - Quảng Ngãi, tìm hiểu
hiện trạng cung cấp và tiêu thụ năng lƣợng tại trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng, đồng
thời đo đạc, nắm bắt các số liệu cần thiết từ các thiết bị tiêu thụ năng lƣợng để phục vụ
cho việc thiết kế.
Chƣơng 3: Các mơ hình sử dụng năng lƣợng mặt trời
Trình bày các loại mơ hình hệ thống năng lƣợng mặt trời, phân tích ƣu điểm và
nhƣợc điểm của từng mơ hình. Từ đó đƣa ra lựa chọn mơ hình thiết kế cho hệ thống
năng lƣợng mặt trời lắp đặt tại trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng.
Chƣơng 4: Áp dụng tính tốn thiết kế hệ thống năng lƣợng mặt trời cấp điện cho
trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng.
Áp dụng lý thuyết từ chƣơng đã trình bày. Sử dụng phần mềm PVsyst tiến hành
tính toán, thiết kế hệ thống sử dụng năng lƣợng mặt trời tại trƣờng Đại học Phạm Văn
Đồng - Quảng Ngãi.
Chƣơng 5:Mô phỏng hệ thống pin năng lƣợng mặt trời, phân tích kết quả. Tính
tốn chi phí dự án.

4

CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1 Giới thiệu về năng lƣợng mặt trời
Mặt trời - ngôi sao trong trung tâm Thái dƣơng hệ và là nguồn cung cấp năng
lƣợng, ánh sáng tự nhiên cho Trái đất.Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lƣợng
khổng lồ và một phần nguồn năng lƣợng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng
ta.Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết
định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta.Năng lƣợng mặt trời là một
trong các nguồn năng lƣợng sạch đƣợc xem là vô tận và nó là nguồn gốc của các
nguồn năng lƣợng khác trên trái đất.Đối với cuộc sống con ngƣời, năng lƣợng mặt trời
là 1 nguồn năng lƣợng tái tạo quý báu. Nguồn năng lƣợng thay thế này đã và đang
đƣợc các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.Con ngƣời đã biết tận hƣởng nguồn năng
lƣợng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này
một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm.Việc tiếp cận để
tận dụng nguồn năng lƣợng mới này khơng chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng
lƣợng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ô nhiễm mơi trƣờng.
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đƣờng kính khoảng 1,4 triệu km (lớn hơn 110
lần đƣờng kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU
ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vƣợt qua khoảng này đến Trái đất). Thành
phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao, nhiệt độ bề mặt khoảng 5762 oK. Bao gồm 92,1
% Hydro và gần 7,8 % Hêli, 0,1 % là các nguyên tố khác.
Mỗi giây, mặt trời phát một khối năng lƣợng khổng lồ vào Thái Dƣơng Hệ. Tuy
nhiên chỉ một phần nhỏ tổng lƣợng bức xạ đến đƣợc trái đất. Tuy nhiên phần năng
lƣợng này đƣợc xem là vô cùng lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển
của Trái Đất. Một phần bức xạ mặt trời phản xạ lại về không gian bề mặt các đám mây,
99% bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất.
Trái đất chuyển động quanh Mặt trời, đồng thời nó cũng tự quay quanh trục của

nó.Thời gian quay một vịng quanh Mặt trời của Trái đất mất 365 ngày và 1/4 vòng
quanh trục của nó.Chuyển động quay quanh Mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động
quay quanh trục tạo nên ngày và đêm trên Trái đất.Trục quay của Trái đất khơng thẳng
góc với mặt phẳng quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đông và mùa hè.


5

Hình 1.1. Bên ngồi mặt trời
Khí quyển Trái Đất là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và đƣợc giữ
lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất. Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái Đất bằng
cách hấp thụ các bức xạ tia cực tím của mặt trời và tạo ra sự thay đổi về nhiệt
độ giữa ngày và đêm. Bầu khí quyển khơng có ranh giới rõ ràng với khoảng không vũ
trụ nhƣng mật độ khơng khí của bầu khí quyển giảm dần theo độ cao.
Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy lƣợng Ơzơn trong tầng thấp nhất của khí
quyển (tầng đối lƣu hình 1.2) ngày càng tăng.Nhiệt lƣợng bức xạ rất mạnh của mặt trời
làm tách các phân tử ra để tạo thành các ion và electron.Vì thế ngƣời ta gọi tầng này là
tầng điện ly (Ionosphere) các sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này (hình 1.2).

Hình 1.2. Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển
Càng lên cao khí quyển càng mỏng và khơng có một ranh giới rõ ràng phân biệt
giữa khí quyển của trái đất và không gian. Ngƣời ta xác định rằng khí quyển chuẩn của


6

trái đất có độ cao 800km.
1.2. Bức xạ mặt trời
Nguồn năng lƣợng bức xạ của mặt trời chủ yếu là do phản ứng nhiệt hạch tổng
hợp hạt nhân Hydro (4 hạt Hydro tổng hợp thành 1 hạt Heli và bức xạ ra năng lƣợng)

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 từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bƣớc sóng.
Độ dài bƣớc sóng (m)

Hình 1.3. Dải bức xạ điện từ
Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 1.3), từ tâm Mặt trời đi ra do
sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lƣợng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với
bức xạ có bƣớc sóng dài. Nhƣ vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bƣớc sóng
dài hơn.Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất
trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra.
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 ngồi lớp khí quyển, tính đối
với 1m2 bề mặt đặt vng góc với tia bức xạ, đƣợc tính theo công thức:
4

 T 
2
q  φDT .C0 . 
 [W / m ]
 100 
Trong đó:
D-T: hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời

φ D T

β2

4

(1.2)

(1.3)


7

β - góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’ nhƣ hình 1.4
C0 = 5,67 W/m2.K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
T ≈ 5762 oK - nhiệt độ bề mặt Mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối).

Hình 1.4: Góc nhìn mặt trời
2

 2.3,14.32 


5762 4
360.60 
q
.5,76.(
)  1353 [W / m2 ]
(1.4)
4
100
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 nhƣng độ thay đổi này khơng lớn lắm nên có thể xem q
là không đổi và đƣợc 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 ôzôn, hơi nƣớc và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lƣợng
đƣợc truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên ơxy phân tử bình thƣờng O2 phân ly thành
ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bƣớc sóng
ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ nhƣ các hạt rời rạc - photon) có năng
lƣợng nhƣ vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành
các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tƣơng tác với các phân tử ôxy khác để tạo
thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhƣng với mức độ thấp hơn
so với ôxy, dƣới tác dụng của các photon với bƣớc sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân
tách O3 thành O2 và O xảy ra. Nhƣ vậy hầu nhƣ toàn bộ năng lƣợng của bức xạ tử
ngoại đƣợc sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là
một quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi
thành bức xạ với năng lƣợng nhỏ hơn.


8

Hình 1.5. Quá trình truyền năng lƣợng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của
Trái đất
Phần năng lƣợng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày
quang đãng (khơng có nhiều mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m2 (hình
1.5). Yếu tố cơ bản xác định cƣờng độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái
đất là quãng đƣờng nó đi qua. Sự mất mát năng lƣợng trên quãng đƣờng 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 quanh Mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5o (hình 1.6) và thực tế xem
nhƣ khơng đổi trong không gian. Sự định hƣớng nhƣ vậy của trục quay trái đất trong
chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những dao động quan trọng về độ dài ngày
và đêm trong năm.

9
23,50
66,50

Cực Nam 23,5

0

23,50

23,50

Cực Bắc

Cực Bắc

Hình 1.6. Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm
1.3. Tính tốn bức xạ năng lƣợng mặt trời
Cƣờng độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng
của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đƣờng đi của các
tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (Góc giữa
phƣơng từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu
tố cơ bản xác định cƣờng độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là
quãng đƣờng nó đi qua. Sự mất mát năng lƣợng trên quãng đƣờng đó gắn liền với sự
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 ngồi khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định theo phƣơng trình sau:

360.n 


Eng  Eo 1  0,033.cos
[W / m 2 ]
(1.5)

365 

Trong đó:
Eng: bức xạ ngồi khí quyển đƣợc đo trên mặt phẳng vng góc với tia bức xạ vào
ngày thứ n trong năm.
1.3.1. Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ
Một số khái niệm cơ bản:
- Hệ số khối khơng khí m: là tỷ số giữa khối lƣợng khí quyển theo phƣơng tia bức
xạ truyền qua và khối lƣợng khí quyển theo phƣơng thẳng đứng (tức là khi Mặt trời ở
thiên đỉnh). Nhƣ vậy m =1 khi Mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh θz là 600.
Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có thể xác định gần đúng m =1/cosθz. Cịn đối với
các góc θz >700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải đƣợc đƣa vào tính tốn. Riêng đối
với trƣờng hợp tính tốn bức xạ mặt trời ngồi khí quyển m =0.
- Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận đƣợc khi khơng bị bầu khí quyển phát tán. Đây
là dịng bức xạ có hƣớng và có thể thu đƣợc ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ).
- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận đƣợc sau khi hƣớng của nó đã bị thay đổi do sự
phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tƣợng, tán xạ cịn đƣợc gọi là bức


10

xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu
khí quyển phát ra).
- Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ
trên một bề mặt nằm ngang, thƣờng gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
- Cường độ bức xạ (W/m2): là cƣờng độ năng lƣợng bức xạ mặt trời đến một bề

mặt tƣơng ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cƣờng độ bức xạ cũng bao gồm
cƣờng độ bức xạ trực xạ Etrx, cƣờng độ bức xạ tán xạ Etx và cƣờng độ bức xạ quang
phổ Eqp.
- Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lƣợng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị
diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, nhƣ vậy năng lƣợng bức xạ là một đại
lƣợng bằng tích phân của cƣờng độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định
(thƣờng 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 ƣớc giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của
ngƣời quan sát. Giờ mặt trời là thời gian đƣợc sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt
trời, nó khơng 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 có thể đƣợc xác định theo
các góc đặc trƣng sau (hình 1.7.);
- Góc vĩ độ φ: vị trí góc tƣơng ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đƣờng
xích đạo trái đất, với hƣớng phía bắc là hƣớng dƣơng: - 900 ≤ φ ≤ 900

Hình 1.7. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
- Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính tốn và phƣơng nằm
ngang. 0 ≤ β ≤ 1800 (β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hƣớng xuống phía dƣới).
- Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên
mặt phẳng nằm ngang so với đƣờng kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hƣớng
chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về
phía đơng. -1800 ≤ γ ≤ 1800
- Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đơng hoặc phía tây của
kinh tuyến địa phƣơng 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 (-), buổi chiều lấy dấu (+).


11

- Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
- Góc thiên đỉnh θz: góc giữa phƣơng thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
Trong trƣờng hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ.
- Góc cao mặt trời α: góc giữa phƣơng nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là
góc phụ của góc thiên đỉnh.
- Góc phương vị mặt trời γs: góc lệch so với phƣơng nam của hình chiếu tia bức
xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình
chiếu lệch về phía đơng và lấy dấu dƣơng (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.
- Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tƣơng ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là
khi Mặt trời đi qua kinh tuyến địa phƣơng) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với
hƣớng phía bắc là hƣớng dƣơng. -23,450 ≤ δ ≤ 23,450. Góc lệch δ có thể tính tốn theo
phƣơng trình của Cooper:

284  n 

δ  23, 45.sin  360.
(1.6)

365 

Với: n là thứ tự ngày của 1 năm.
Quan hệ giữa các loại góc đặc trƣng ở trên có thể biểu diễn bằng phƣơng trình
giữa góc tới θ và các góc khác nhƣ sau:
Cos  sin.sin.cos  sin.cos.sin.cos  cos.cos.cos.cos
 cos.sin.sin.cos.cos  cos.sin.sin.sin
(1.7)
và : Cos  cosz.cos  sinz.sin.cos   s   
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 00 và 900 từ khi mặt trời mọc đến khi Mặt trời ở thiên

đỉnh (β = 0): cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ
(1.8)
1.3.2. Bức xạ mặt trời ngồi khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngồi khí quyển
đƣợc xác định theo phƣơng trình:

360.n 

E0.ng  E0 . 1  0,033.cos
(1.9)
 .cos θ z
365 

Thay giá trị cosθz vào phƣơng trình trên ta có Eo.ng tại thời điểm bất kỳ từ lúc mặt
trời mọc đến lúc mặt trời lặn:
360.n 

E0.ng  E0 . 1  0,033.cos
(1.10)
 .(cos.cos δ .cos ω sin.sin δ)
365 

Tích phân phƣơng trình này theo thời gian từ khi Mặt trời mọc đến khi Mặt trời
lặn (6h đến 18h), ta sẽ đƣợc Eo.ng là năng lƣợng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm
ngang trong một ngày:


12

24.3600.E0 

πωs
360.n 
. 1  0,033.cos
sin.sin δ)
 .(cos.cos δ .sin ωs 
π
365 
180

(1.11)
0
với ωs là góc giờ mặt trời lặn ( ) (tức là góc giờ ω khi θz = 900)
sin.sin δ
Cos ωs  
  tg.tg δ
(1.12)
cos.cos δ
E0.ng 

Ngƣời ta cũng xác định năng lƣợng bức xạ ngày trung bình tháng Eoth bằng cách
thay giá trị n và δ trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày trung bình của tháng
và độ lệch δ tƣơng ứng.
Năng lƣợng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể xác
định:
(

)


π(ω1  ω2 )

sin.sin δ)
180

(1.13)

1.3.3. Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất
Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần chính đó
là trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ đã đƣợc khảo sát ở trên, cịn thành phần tán xạ thì
khá phức tạp. Hƣớng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ che
phủ của mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lƣợng này lại thay đổi khá nhiều.
Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần (hình 1.8.);
- Thành phần tán xạ đẳng hƣớng: phần tán xạ nhận đƣợc đồng đều từ tồn bộ vịm
trời.
- Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung
quanh tia mặt trời.
- Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đƣờng chân trời.

Hình 1.8. Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán


13

Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ 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 lại bầu trời và lầnlƣợt bị phát tán trở
thành thành phần tán xạ chân trời.
Nhƣ vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các dòng bức
xạ bao gồm: trực xạ Eb, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ phản xạ từ các bề
mặt khác lân cận Er:
EΣ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er
(1.14)

Tuy nhiên việc tính tốn các đại lƣợng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy ngƣời ta giả
thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng
hƣớng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất
là nhƣ nhau trong mọi trƣờng hợp không phụ thuộc hƣớng của bề mặt. Nhƣ vậy tổng
xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ Eb.Bb và tán xạ trên mặt nằm ngang Ed.
Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc β so với phƣơng nằm ngang sẽ có tổng xạ
bằng tổng của 3 thành phần:

 1  cos β 
 1  cos β 
EβΣ  Eb .Bb  Ed . 
  EΣ .R g . 

2 
2 



(1.15)

Trong đó:
EΣ là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang,
(1 + cosβ)/2 = Fcs là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời
(1 - cosβ)/2 = Fcg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất
Rg là hệ số phản xạ bức xạ của mơi trƣờng xung quanh.

Hình 1.9. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng
Và ta có tỷ số bức xạ Bb của bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang:
E
E .cosθ

cosθ
Bb  n  n

Ebng En .cosθz cos θz

(1.15)


14

Với:
En là cƣờng độ bức xạ mặt trời tới theo phƣơng bất kỳ.
Ebng là bức xạ mặt trời theo phƣơng vng góc với mặt nằm ngang.
Ebngh là bức xạ mặt trời theo phƣơng vng góc với mặt phẳng nghiêng.
Cosθ và cosθz đƣợc xác định bởi các phƣơng trình (1.15) trên và các góc đƣợc
biểu diễn trên hình 1.9.
Trong tính tốn kỹ thuật, có thể coi cƣờng độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời
gian τ, tính từ lúc mặt trời mọc, τ = 0 đến khi mặt trời lặn τ =τn/2, với τn=24h =
24.3600s nhƣ sau:
E(τ) = En.sin(τ)
(1.16)
Với (τ) = ω.τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất
2π
2π
ω

 7,72.105 [ rad / s] là tốc độ góc tự xoay của trái đất
τ n 24.3600
En [W/m2] là cƣờng độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy trị trung bình cả năm theo
số liệu số liệu đo lƣờng thực tế tại vĩ độ cần xét.

Hình 1.10. Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng
1.4. Các ứng dụng năng lƣợng mặt trời
Nhƣ vậy để việc nghiên cứu sử dụng các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời có
tính ứng dụng cao, chúng ta cần phải có thơng số đo đạc thống kê đầu vào, từ đó giúp
ngƣời thiết kế đánh giá hiệu quả kinh tế của hệ thống, xác định kích thƣớc hệ thống và
do đó có thể thiết kế hệ thống sao cho giá thành thấp và hiệu quả tối ƣu. Các thông số
đầu vào này càng chính xác thì việc thiết kế càng chính xác và hiệu suất thiết bị càng
cao.
Chúng ta có thể sử dụng các thông số đo đạc thực tế để tính tốn thiết bị, để thiết kế
thì chúng ta cần số liệu bức xạ ít nhất trong một năm, số liệu trong thời gian càng dài thì
việc tính tốn càng chính xác. Để thiết kế một hệ thống sử dụng năng lƣợng mặt trời cần
số liệu đo đạc trong một thời gian khá dài. Tuy vậy chỉ có rất ít nƣớc phát triển mới đủ
khả năng thực hiện việc đo đạc này. Hơn nữa càng nhiều số liệu thì khối lƣợng tính tốn
càng lớn và địi hỏi khả năng tính tốn cao của máy tính.


15

Cơng nghệ năng lƣợng mặt trời có 2 hình thức hoạt động, hoặc thụ động, hoặc chủ
động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối năng lƣợng mặt trời.
Kỹ thuật năng lƣợng mặt trời chủ động bao gồm việc sử dụng các tấm quang điện và
năng lƣợng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng lƣợng. Cịn kỹ thuật năng lƣợng mặt
trời thụ động có thể minh họa bằng việc hƣớng một tịa nhà về phía mặt trời, lựa chọn
vật liệu có khối lƣợng nhiệt thuận lợi hoặc ánh sáng phân tán và thiết kế không gian
lƣu thơng khơng khí tự nhiên trong ngơi nhà đó để khai thác một cách hiệu quả lƣợng
nhiệt thu đƣợc từ mặt trời.
1.5. Kết luận
Ở chƣơng 1, tác giả đã trình bày các cơ sở lý thuyết về năng lƣợng mặt trời:
Giới thiệu về cấu tạo của mặt trời; Bức xạ mặt trời; Các bƣớc tính tốn năng lƣợng

bức xạ mặt trời. Để từ đó làm cơ sở cho việc đo đạc các thong số trong thực tế nhằm
tính tốn, thiết kế các thiết bị một cách hiệu quả.