Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-----------------o0o------------------

NGUYỄN THỊ LAN

NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN XÁC ĐỊNH VÀ DUY
TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG
ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHOA CHUN MƠN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TRƢỞNG KHOA

PGS.TS. Lại Khắc Lãi
PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Lan
Sinh ngày 03 tháng 9 năm 1988
Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Điện tử Trƣờng Cao đẳng nghề kinh
tế kỹ thuật Bắc Ninh
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu thuật tốn xác định và
duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới” do thầy giáo
PGS.TS Lại Khắc Lãi hƣớng dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả
các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là hồn tồn trung thực và chƣa từng ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác. Nếu sai tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn
tận tình của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu
thuật tốn xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt
trời nối lưới” đã hồn thành. Tác giả xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hƣớng dẫn PSG. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hồn thành luận văn này.
Phịng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện
trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong

suốt quá trình học tập cũng nhƣ trong q trình nghiên cứu đề tài.
Tồn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm,
động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ................................................................. xi
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................. 1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................... 2
Ý nghĩa khoa học........................................................................................................... 2
Ý nghĩa thực tiễn........................................................................................................... 2
3. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................. 2
4. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................................... 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................................... 3
6. Tên đề tài................................................................................................................... 3
7. Bố cục luận văn......................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1.................................................................................................................. 4
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI......................................................... 4
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời.................................................................................... 4
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời........................................................................................... 4
1.1.2. Năng lƣợng mặt trời............................................................................................ 5
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời.............................................................................................. 6
1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất............................................... 8
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời........................................................................................... 8
1.1.4.2. Sự giảm năng lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia sáng qua
lớp khí quyển( air mass).............................................................................................. 11
1.1.4.3. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian.......................................... 12
1.1.4.4. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian......................................13
1.2. Các phƣơng pháp khai thác, sử dụng năng lƣợng mặt trời..................................14
1.2.1. Sử dụng hệ thống điện năng lƣợng mặt trời làm việc độc lập...........................15
1.2.1.1. Pin mặt trời..................................................................................................... 15
1.2.1.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lƣợng mặt trời..........................................16
1.2.1.3. Thiết bị sấy khô dùng NLMT......................................................................... 16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

v
1.2.1.4. Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng NLMT....................................................... 17
1.2.1.5. Động cơ stirling chạy bằng NLMT................................................................. 17
1.2.1.6. Bếp nấu dùng NLMT...................................................................................... 18
1.2.1.7. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời......................................... 20
1.2.1.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa khơng khí dùng NLMT.................................... 21
1.2.2. Hƣớng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lƣợng mặt trời...............................21
1.3. Kết luận chƣơng 1................................................................................................ 24
CHƢƠNG 2................................................................................................................ 25
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG VIỆC KHAI THÁC NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI.................................................................................................. 25
2.1. Các linh kiện điện tử thông dụng sử dụng trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới .. 25

2.1.1. Điện trở.............................................................................................................. 25
2.1.2. Tụ điện............................................................................................................... 27
2.1.3. Diode bán dẫn.................................................................................................... 28
2.1.3.1. Cấu tạo, kí hiệu............................................................................................... 28
2.1.3.2. Đặc tuyến V-A................................................................................................ 29
2.1.3.3. Các tham số cơ bản của Diode: Chia làm hai nhóm........................................ 29
2.1.3.4. Phân loại......................................................................................................... 30
2.1.4. Transistor lƣỡng cực( Transistor Bipolar)......................................................... 30
2.4.1.1. Cấu tạo............................................................................................................ 30
2.1.4.2. Nguyên lý làm việc......................................................................................... 31
2.1.4.3. Các tham số cơ bản......................................................................................... 33
2.1.5. Transistor Trƣờng< FET > (Field Effect Transistor)......................................... 33
2.1.5.1. Tranzitor trƣờng có cực cửa tiếp giáp JFET................................................... 34
2.1.5.2. Tranzitor trƣờng có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor
FET)............................................................................................................................ 36
2.1.6. Thysistor............................................................................................................ 38

2.1.6.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc............................................................................ 38
2.1.6.2. Đặc tuyến V- A............................................................................................... 40
2.2. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới........................................................ 40
2.2.1. Sơ đồ khối hệ thống........................................................................................... 40
2.2.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới.............................................. 41
2.3. Pin mặt trời (PV-Photovoltaic)............................................................................. 41
2.3.1. Khái niệm.......................................................................................................... 41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi
2.3.2. Mơ hình tốn và đặc tính làm việc của pin mặt trời........................................... 42
2.4. Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC)........................................................ 45
2.4.1. Chức năng.......................................................................................................... 45
2.4.2. Các loại bộ biến đổi DC/DC.............................................................................. 46
2.4.2.1. Bộ biến đổi DC/DC không cách ly................................................................. 46
2.4.2.2. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly...................................................................... 51
2.4.3. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC......................................................................... 51
2.4.3.1. Mạch vòng điều khiển điện áp........................................................................ 51
2.4.3.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện.................................................................... 52
2.5. Nghịch lƣu nối lƣới (Inverter)............................................................................. 53
2.5.1. Các phép chuyển đổi.......................................................................................... 54
2.5.1.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha.............................................................. 54
2.5.1.1. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha.................................................... 56
2.5.2. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation)................................ 57
2.5.2.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM)................................58
2.5.2.2. Điều chế véc tơ khơng gian (SVM)............................................................... 59
2.5.3. Điều khiển chuyển đổi DC-AC.......................................................................... 60

2.5.3.1. Bộ điều khiển PI............................................................................................. 61
2.5.3.2. Bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant).......................63
2.5.3.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái................................................................... 63
2.6. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời nối lƣới................................................. 64
2.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ................................................................................. 64
2.6.1.1. Điều kiện về tần số......................................................................................... 64
2.6.1.2. Điều kiện về điện áp....................................................................................... 65
2.6.1.2. Điều kiện về pha............................................................................................. 65
2.6..2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lƣới................................................................ 65
2.7. Kết luận chƣơng 2................................................................................................ 66
CHƢƠNG 3................................................................................................................ 67
THUẬT TỐN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI..................................................................... 67
3.1. Khái niệm............................................................................................................. 67
3.2. Thuật tốn dị điểm công suất tối đa của pin mặt trời (MPPT - Maximum Power
Point Tracking)............................................................................................................ 69
3.2.1. Thuật tốn điện áp khơng đổi (CV – Constant Voltage)..................................... 69
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii
3.2.2. Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe)..........................69
3.2.3. Thuật toán độ dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance)............................70
3.2.4. Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasiticCapacitance)................................70
3.3. Ứng dụng fuzzy logic để xác định và duy trì điểm làm việc cơng suất cực đại của
hệ thống pin mặt trời................................................................................................... 71
3.3.1. Tổng quan về logic mờ...................................................................................... 71
3.3.2. Thuật toán MPPT sử dụng bộ điều khiển mờ (FLC)......................................... 77

3.4. Các kết quả mô phỏng.......................................................................................... 81
3.5. Kết luận chƣơng 3................................................................................................ 84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................... 85
1. Kết luận................................................................................................................... 85
2. Kiến nghị................................................................................................................. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 87

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


27
28
29
30
31
32
33

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 3.1
Bảng 3.2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình
Hình 1.1

C

Hình 1.2

Th

Hình 1.3

Đ

Hình1.4

Ph

Hình 1.5

Đ

Hình 1.6

Sơ

Hình 1.7

Pi

Hình 1.8

N

Hình1.9

Lị

Hình 1.10

Th

Hình 1.11

Đ

Hình 1.12

B

Hình 1.13

B

Hình 1.14

Th

Hình 2.1

Đ

Hình 2.2

Đ

Hình 2.3

Đ

Hình 2.4

B

Hình 2.5

Tụ

Hình 2.6

Tụ

Hình 2.7

Tụ

Hình 2.8

C

Hình 2.9

Đ

Hình 2.10

C

Hình 2.11

Ph

Hình 2.12

N

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


xii
Hình 2.13

Sơ

Hình 2.14

C

Hình 2.15

Đ

Hình 2.16

C

Hình 2.17

Đ

Hình 2.18

C

Hình 2.19

Đ

Hình 2.20

Sơ

Hình 2.21

M

Hình 2.22

Q

Hình 2.23

a,

Hình 2.24

Sơ

Hình 2.25

Sơ

Hình 2.26

Sơ

Hình 2.27

Sơ

Hình 2.28

Sơ

Hình 2.29

Sơ

Hình 2.30

B

Hình 2.31

Sơ

Hình 2.32

Sơ

Hình 2.33

C

Hình 2.34

C

Hình 2.35

C

Hình 2.36

Đ

Hình 2.37

B

Hình 3.1

Q

Hình 3.2

Đ

Hình 3.3

Sơ

Hình 3.4

Lƣ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


xiii
Hình 3.5

Lƣ

Hình 3.6

Đ

Hình 3.7

C

Hình 3.8

H

Hình 3.9

G

Hình 3.10

Tậ

Hình 3.11

C

Hình 3.12

C

Hình 3.13

Q

Hình 3.14

H

Hình 3.15

H

Hình 3.15

H

Hình 3.17

Q

Hình 3.18

Sơ

Hình 3.19

Đ

Hình 3.20

Đ

Hình 3.21

Sơ

trê

Hình 3.22

Sơ

Hình 3.23

Đ


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các nguồn năng lƣợng trên trái đất nhƣ dầu mỏ, than đá… đang dần cạn
kiệt, khơng cịn để khai thác đƣợc nữa. Ngoài ra, những nguồn năng lƣợng này là nguyên
nhân chính gây ra sự ơ nhiễm khơng khí làm ảnh hƣởng đến đời sống con ngƣời.

Trong khi đó, nguồn năng lƣợng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn
năng lƣợng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới mơi trƣờng. Vì vậy, tập trung nghiên
cứu ứng dụng năng lƣợng tái tạo đang là hƣớng đi mới trong năng lƣợng công nghiệp,
nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lƣợng đang đặt lên hàng đầu.
Việc khai thác năng lƣợng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh
năng lƣợng và phát triển bền vững.
Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất
mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của
các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng
lƣợng các dịng sơng,… Đó là loại hình năng lƣợng có khả năng áp dụng hơn cả tại
các khu vực đô thị và các vùng mà điện lƣới không vƣơn đến đƣợc (vùng núi, vùng
hải đảo hay các công trình ngồi khơi, …). Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vơ tận,
để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất
cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
Ở Việt Nam, năng lƣợng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lƣợng bức xạ trung
bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm Thông
tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng
60 hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ
thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lƣợng điện toàn
quốc. Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhƣng vì nhiều lý do, việc phát
triển năng lƣợng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tƣ ban đầu lớn hơn các dạng năng lƣợng
truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế.
Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và
tích trữ năng lƣợng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lƣợng này, chủ yếu

vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng tại chỗ ), năng lƣợng dƣ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2
thừa chƣa hòa đƣợc lên lƣới điện quốc gia (bán trở lại cho lƣới điện thông qua đồng
hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ).
Vì vậy, việc nghiên cứu thuật tốn xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của
hệ thống điện mặt trời nối lƣới đang là một vấn đề cấp thiết.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lƣợng một chiều (DC), Nguồn năng lƣợng
một chiều này đƣợc chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lƣu.
Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lƣợng này đến phụ tải chính để cung cấp điện
cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dƣ thừa đƣợc bán trở lại lƣới
điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện.
Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hồn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hồn chỉnh hệ thống lƣới
điện thơng minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và
sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu
dân cƣ sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời.
Q trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tƣ liệu phục vụ cho công tác học tập
và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này đặt mục tiêu chính là “ Nghiên cứu thuật tốn xác định và duy trì điểm
làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới’’
Các mục tiêu cụ thể:





Tổng quan về năng lƣợng tái tạo.



Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời.
+

Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới

+

Vấn đề hòa lƣới của hệ thống

Thuật tốn xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời

nối lƣới


Viết chƣơng trình và mơ phỏng thực nghiệm.

4.Đối tƣợng nghiên cứu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

3
Nghiên cứu nguồn năng lƣợng mặt trời: Phƣơng pháp sản xuất, sử dụng và hịa
lƣới.
Nghiên cứu thuật tốn xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống
điện mặt trời nối lƣới.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các cơng trình nghiên cứu đƣợc cơng bố thuộc
lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành…
Nghiên cứu thực tiễn
Nghiên cứu thuật tốn xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện
mặt trời nối lƣới
6. Tên đề tài
“ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống
điện mặt trời nối lưới ” .
7. Bố cục luận văn
Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về năng lƣợng mặt trời.
Chƣơng 2: Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời
Chƣơng 3: Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện
mặt trời nối lƣới.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất
mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của
các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng
lƣợng các dịng sơng,… Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai
thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ bản
của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời
8

Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.10 km. Từ trái đất
'

chúng ta nhìn mặt trời dƣới một góc mở là 31 59. Từ đó có thể tính đƣợc đƣờng kính
6

của mặt trời là R = 1,4.10 km, tức là bằng 109 lần đƣờng kính quả đất và do đó thể
4

tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.10 lần. Từ định luật hấp dẫn ngƣời ta
cũng tính đƣợc khối lƣợng của mặt trời là 1,989.10
4

27

tấn, lớn hơn khối lƣợng quả đất

3

33.10 lần. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm , lớn hơn khối lƣợng riêng của
3

nƣớc (1g/cm ) khoảng 50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất
khác nhau. Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160
3

g/cm , nhƣng càng ra phía ngồi mật độ càng giảm và giảm rất nhanh.
Một cách khái qt có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong và
phần khí quyển bên ngồi (hình 1.1). Phần khí quyển bên ngồi lại gồm 3 miền và
đƣợc gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó cũng có thể
chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lƣu, tầng trung gian và lõi mặt trời. Một số thông số
của các lớp của mặt trời đƣợc cho trên hình 1.1.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

Hình 1.1. Cấu trúc mặt trời
Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định. Thực ra
bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ khơng ngừng. Sự ẩn hiện của
các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung
quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động khơng ngừng trong lịng mặt trời.
Ngồi ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát đƣợc cấu trúc hạt, vật thể hình kim,
hiện tƣợng phụt khói, phát xung sáng,.. ln luôn thay đổi và rất dữ dội.

1.1.2. Năng lƣợng mặt trời
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He)
chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lƣợng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lƣợng khổng lồ. Mỗi giây nó phát
26

ra 3,865.10 J, tƣơng đƣơng với năng lƣợng đốt cháy hết 1,32.10

16

tấn than đá tiêu

chuẩn. Nhƣng bề mặt quả đất chỉ nhận đƣợc một năng lƣợng rất nhỏ và bằng
16

6

17,57.10 J hay tƣơng đƣơng năng lƣợng đốt cháy của 6.10 tấn than đá.
Năng lƣợng khổng lồ từ mặt trời đƣợc xác định là sản phẩm của các phản ứng hạt
nhân. Theo thuyết tƣơng đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lƣợng có
0

thể chuyển thành năng lƣợng. Nhiệt độ mặt ngồi của mặt trời khoảng 6000 K, còn ở bên
trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đơ. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn
8

340.10 MPa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao nhƣ vậy nên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

6
vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lƣợng rất lớn. Chúng va
chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Ngƣời ta đã xác định đƣợc
nguồn năng lƣợng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các
phản ứng tuần hồn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân
Proton.Proton.
Khối lƣợng của mặt trời xấp xỉ 2.10

27

tấn. Nhƣ vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối

lƣợng của nó thành năng lƣợng cần một khoảng thời gian là 15.10
thể thấy rằng nguồn năng lƣợng mặt trời là khổng lồ và vô tận.

13

năm. Từ đó có

1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời có bản chất là song điện từ, là q trình truyền các dao động điện
từ trƣờng trong khơng gian. Trong q trình truyền sóng, các vectơ cƣờng độ điện
trƣờng và cƣờng độ từ trƣờng ln ln vng góc với nhau và vng góc với
phƣơng truyền của sóng điện từ. Quãng đƣờng mà sóng điện từ truyền đƣợc sau một
chu kỳ dao động điện từ đƣợc gọi là bƣớc sóng 
8

Trong chân khơng vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.10 m/s.

Cịn trong mơi trƣờng vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng v = c/n, trong
đó n đƣợc gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trƣờng, với n  1. Các sóng điện từ có
-7

bƣớc sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10 nm (nano met) đến hàng nghìn
km.

Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời
Ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng từ 0,4µm đến 0,8µm , chỉ chiếm một phần rất
nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời. Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ
nhƣng các loại sóng điện từ có bƣớc sóng khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7
hóa học và sinh học rất khác nhau. Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy đƣợc, sự khác
nhau về bƣớc sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng. Khi đi từ
bƣớc sóng dài µm đến giới hạn sóng ngắn µm ta nhận thấy màu sắc của
ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mắt ngƣời nhạy nhất
với ánh sáng màu vàng có bƣớc sóng µm. Sự phân bố năng lƣợng đối với các
bƣớc sóng khác nhau cũng khác nhau. Bảng 1.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng
lƣợng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bƣớc sóng của nó, cịn bảng 1.2 là quan hệ
giữa màu sắc của ánh sáng và bƣớc sóng của nó. Từ bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng
lƣợng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong dải bƣớc sóng từ µmtử ngoại C,
tỷ lệ mật độ năng lƣợng 0,57% đến µm (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lƣợng
1,93%), cịn ngồi vùng đó mật độ khơng đáng kể.
Khi bức xạ mặt trời đi ngang qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân
tử khí, các hạt bụi,.. hấp thu hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lƣợng mặt trời khi

đến bề mặt trái đất bị thay đổi rất đáng kể.
Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

Bảng 1.2: Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời

1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời
Quả đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng
7991 km bao gồm các phần tử khí, hơi nƣớc, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và
các đám mây,… Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xun qua lớp khí quyển đó để đến đƣợc
mặt đất thì năng lƣợng của nó bị thay đổi đáng kể.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

Hình 1.3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)
Ở

bên ngồi lớp khí quyển quả đất, năng lƣợng bức xạ mặt trời là hằng số và có giá
2

trị là 1353W/m . Giá trị này đƣợc gọi là hằng số mặt trời. Phổ của bức xạ mặt trời là
một đƣờng cong lien tục có năng lƣợng chủ yếu nằm trong vùng bƣớc sóng từ 0,1µm
đến 3 µm (hình 1.3). Đƣờng phân bố này gần giống đƣờng phân bố phổ bức xạ của
một vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 5726 K. Cực đại của phổ bức xạ mặt trời nằm ở bƣớc
2

sóng 0,48µm và ứng với mật độ năng lƣợng 2.074W/m .
Khi các bức xạ mặt trời xuyên vào lớp khí quyển quả đất, gặp các phân tử khí, hơi
nƣớc, các hạt bụi, các hạt chất lỏng,…bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần năng
lƣợng của nó khơng tới đƣợc mặt đất. Đối với những ngày trong sáng thì sự suy giảm
năng lƣợng của các tia bức xạ mặt trời do ba quá trình vật lý sau xảy ra một cách đồng
thời:
 Sự hấp thụ chọn lọc do các phân tử hơi nƣớc H2O,O2, O3 và CO2
 Sự tán xạ Rayleith trên các phan tử khí, các hạt bụi,..
 Tán xạ Mie.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

Hình 1.4: Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngồi bầu khí quyển
Tán xạ Rayleith là sự tán xạ của tia mặt trời lên các phân tử khí hay các hạt bụi có
kích thƣớc rất nhỏ so với bƣớc sóng  của bức xạ. Theo lý thuyết Rayleith thì hệ số


tán xạ trong quá trình này tỉ lệ với  Một cách gần đúng, có thể đánh giá rằng, 50%

năng lƣợng của các tia bức xạ tán xạ bị mất đi khi đi qua lớp khí quyển trái đất, chỉ
còn 50% đến đƣợc quả đất theo các hƣớng khác nhau, và đƣợc gọi là bức xạ nhiễu xạ
hay bức xạ tán xạ. Sự tán xạ xảy ra trên các hạt bụi nói chung có kích thƣớc lớn hơn
rất nhiều so với kích thƣớc các phân tử khí nên việc tính tốn trở nên rất khó khăn. Vì
kích thƣớc và mật độ của chúng biến đổi từ vừng này sang vùng khác và còn phụ
thuộc vào độ cao và thời gian.
Tán xạ Mie là tán xạ xảy ra khi kích thƣớc của các hạt bụi lớn hơn bƣớc sóng của
bức xạ, khi đó sự suy giảm cƣởng độ bức xạ do hai nguyên nhân: do sự tán xạ thực sự
( phân bố lại năng lƣợng mới) và do sự hấp thụ bức xạ bởi các hạt bụi. Trong nguyên
nhân thứ 2, một phần năng lƣợng của bức xạ biến thành nhiệt. Phần bức xạ còn lại sau
tán xạ Mie, hƣớng đến quả đất nên cũng đƣợc gọi là bức xạ nhiễu xạ.
Do bức xạ bị hấp thu bởi các phần tử khí O 2, O3 ở các vùng cao của lớp khí quyển nên
vùng bƣớc sóng tử ngoại µm trong phổ mặt trời đã bị biến mất khi đến mặt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN