Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN QUỐC HUY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ
ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC XOAY THEO HƯỚNG NẮNG
CỦA BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 60.52.01.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHẠM VIỆT HÙNG

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN
TS. ĐINH VƯƠNG HÙNG

HUẾ - 2016

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan: đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các
số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng
được cơng bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Quốc Huy

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo
khoa Cơ khí – Cơng nghệ, trường Đại học Nơng Lâm Huế đã truyền đạt kiến thức cho
tơi trong suốt khóa học.
Đặc biệt tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến thầy giáo TS Phạm Việt
Hùng, người đã luôn theo sát bên tơi, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi cả về
kiến thức, vật chất lẫn tinh thần trong suốt q trình để tơi có thể hồn thành luận văn
tốt nghiệp của mình.
Tơi xin chân thành cảm ơn cán bộ giáo viên xưởng thực hành khoa Cơ khí –
Cơng nghệ đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp
này.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã động viên
tôi trong suốt quá trình học tập và hồn thành luận văn
Xin chân thành cảm ơn!
Huế, tháng 30 tháng 5 năm 2016
Học viên

Nguyễn Quốc Huy

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm

iii

TÓM TẮT

Đề tài đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mẫu bếp hộp tự động xoay
theo hướng nắng, hoạt động hiệu quả với hiệu suất thu và giữ nhiệt của bếp được cải
thiện đáng kể. Cụ thể:
Thứ nhất đã phân tích điều kiện thời tiết, khí hậu tại khu vực để làm cơ sở cho
việc thiết kế, chế tạo.
Thứ hai, đã thiết kế và chế tạo một mẫu bếp hộp cải tiến theo hướng kết hợp
các ưu điểm của bếp parabol và bếp hộp truyền thống.
Thứ ba, tính tốn và thiết kế được bộ điều khiển với hai phương án hoạt động
theo nguyên lý hẹn giờ và sử dụng cảm biến. Trong đó, phương án hẹn giờ sử dụng rơ
le thời gian kết hợp với một động cơ điện 1 chiều với công suất 0,05 KW và số vịng
quay 96v/ph điều khiển bếp quay một góc 10˚ sau mỗi khoảng thời gian 30 phút.
Phương án điều khiển bằng cảm biến, sử dụng cảm biến quang trở kết hợp với bo
mạch Arduino và động cơ bước để điều khiển bếp theo hướng Mặt Trời. Trên cơ sở
phân tích ưu nhược điểm của hai phương án, đề tài lựa chọn phương án thiết kế, chế
tạo bảng điều khiển theo chế độ hẹn giờ.
Thứ tư, lựa chọn phương án truyền động cơ khí, đó là sử dụng bộ truyền động xích đơn giản, hiệu quả với tỉ số truyền

1

2

.

Thứ năm, tiến hành khảo nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động của bếp hộp

cải tiến và hiệu quả của bếp ở hai trường hợp bếp tĩnh và bếp động. Kết quả chỉ ra
rằng, hiệu suất thu, giữ nhiệt của bếp động cao hơn bếp tĩnh là 13%.
Kết quả tính tốn các thông số kỹ thuật để thiết kế, chế tạo bếp quay tự động,
sẽ làm cơ sở khoa học cho sự phát triển của việc nghiên cứu các ứng dụng khai thác
năng lượng mặt trời.

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................ ii
TÓM TẮT.................................................................................................................................................. iii
MỤC LỤC.................................................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................................................. vii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................... 9
1. ĐẶT VẤN ĐỀ........................................................................................................................................ 9
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI.............................................................................................................. 10
2.1. Mục tiêu chung................................................................................................................................ 10
2.2. Mục tiêu cụ thể................................................................................................................................ 10
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN............................................................................... 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.......................................... 12
1.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................................................. 12
1.1.1. Nguồn năng lượng mặt trời..................................................................................................... 12
1.1.2. Phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời....................................................................... 16
1.1.3. Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời........................................................................... 16

1.1.4. Tình hình phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời....................................................... 22
1.1.5. Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết bị - Các định luật cơ bản về bức xạ......................... 25
1.2 CƠ SỞ THỰC TIỄN VỄ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.......................................................... 28
1.2.1 Các nghiên cứu về hệ thống điều khiển tự động ứng dụng vào bếp đun năng
lượng mặt trời trong nước và trên thế giới..................................................................................... 28
1.2.2 Nhận xét và đề xuất hướng nghiên cứu............................................................................... 29
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU........................................................................................................................................ 31
2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU..................................................................... 31
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................................................ 31
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................................... 31
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU....................................................................................................... 31
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................................ 31
2.3.1. Phương pháp phỏng vấn chuyên gia.................................................................................... 31
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu tài liệu........................................................................................... 31
2.3.3. Phương pháp tính tốn, thiết kế............................................................................................. 32
2.3.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm............................................................................... 32

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


v

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN........................................... 33
3.1. NGHIÊN CỨU, THU THẬP SỐ LIỆU VỀ ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU Ở TỈNH
THỪA THIÊN HUẾ............................................................................................................................... 33
3.2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BẾP HỘP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI................................ 36
3.2.1. Lựa chọn nguyên lý làm việc................................................................................................. 36
3.2.2. Tính tốn thiết kế bếp................................................................................................................ 38
3.3. TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM CỦA BẾP................................... 41

3.4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN..................................................................... 42
3.4.1. Mục đích và yêu cầu.................................................................................................................. 42
3.4.2. Lựa chọn phương án điều khiển............................................................................................ 42
3.5. TÍNH TỐN LỰA CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN....................................... 49
3.6. TÍNH TỐN LỰA CHỌN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG
BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.................................................................................................... 49
3.6.1. Bộ truyền đai................................................................................................................................. 49
3.6.2. Bộ truyền xích.............................................................................................................................. 42
3.6.3. Bộ truyền trục vít........................................................................................................................ 51
3.6.4. Lựa chọn hệ thống truyền động cho bếp............................................................................ 52
3.7. KHẢO NGHIỆM............................................................................................................................ 53
3.7.1. Khảo nghiệm khả năng hoạt động của bếp hộp............................................................... 53
3.7.2. Khảo nghiệm so sánh, đánh giá hiệu quả của bếp trước và sau khi lắp bảng điều
khiển............................................................................................................................................................. 56
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................ 59
4.1. KẾT LUẬN....................................................................................................................................... 59
4.2. KIẾN NGHỊ...................................................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................. 60

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Đặc trưng cơ chế nhiệt độ tại Thừa Thiên Huế........................................................ 34
Bảng 3.2. Vài đặc trưng của độ ẩm – mây – nắng...................................................................... 35
Bảng 3.3. Nhiệt độ trung bình bếp theo thời gian nấu............................................................... 54
Bảng 3.4. Bảng biến thiên nhiệt độ của bếp tĩnh và bếp động trong hai ngày khảo nghiệm. .. 56

Bảng 3.5. Bảng giá thành thiết bị...................................................................................................... 58

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Cấu trúc của mặt trời.......................................................................................................... 12
Hình 1.2. Góc nhìn mặt trời................................................................................................................. 13
Hình 1.3. Góc hình học tia bức xạ mặt trời và mặt phẳng nghiêng...................................... 15
Hình 1.4. Hai loại bếp nấu năng lượng mặt trời.......................................................................... 17
Hình 1.5. Xe điện năng lượng mặt trời............................................................................................ 18
Hình 1.6. Thiết bị vơ trùng nước năng lượng mặt trời.............................................................. 18
Hình 1.7. Ơ tơ sử dụng nhiêu liệu Hydro....................................................................................... 19
Hình 1.8. Lều sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời....................................................................... 19
Hình 1.9. Mẫu máy nay năng lượng mặt trời................................................................................ 20
Hình 1.10. Đèn giao thơng năng lượng mặt trời.......................................................................... 20
Hình 1.11. Gương phản xạ ánh nắng mặt trời vào thung lũng Viganella...........................21
Hình 1.12. Sạc pin bằng năng lượng mặt trời............................................................................... 21
Hình 1.13. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời trên thế giới........................................ 23
Hình 1.14. Số giờ nắng trung bình mỗi tháng và trong năm 2002-2003 tại Việt Nam . 24

Hình 1.15. Hàm số phân bố E0λ theo λ và T.................................................................................. 25
Hình 1.16. Định luật dịch chuyển Wien.......................................................................................... 26
Hình 1.17. Hiệu ứng lồng kính........................................................................................................... 28
Hình 3.1. Đồ thị so sánh nhiệt độ trong các tháng của Huế.................................................... 33
Hình 3.2. Bản vẽ hình chiếu cạnh bếp hộp năng lượng mặt trời........................................... 37
Hình 3.3. Bản vẽ hình chiếu đứng bếp hộp năng lượng mặt trời.......................................... 38

Hình 3.4. Hình 3D bếp hộp năng lượng mặt trời......................................................................... 38
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mặt thu nhiệt và thời gian........................... 40
Hình 3.6. Bếp hộp năng lượng mặt trời hình hộp........................................................................ 41
Hình 3.7. Áp to mát 1 pha.................................................................................................................... 35
Hình 3.8. Máy biến áp........................................................................................................................... 43
Hình 3.9. Sơ đồ cấu tạo máy biến áp............................................................................................... 43
Hình 3.10. Rơ le trung gian................................................................................................................. 44
Hình 3.11. Sơ đồ cấu tạo Rơ le trung gian..................................................................................... 44
Hình 3.12. Rơ le thời gian.................................................................................................................... 45
Hình 3.13. Sơ đồ nối dây của rơ le thời gian................................................................................ 45
Hình 3.14. Mạch chỉnh lưu tồn sóng với 4 điốt......................................................................... 46
Hình 3.15. Sơ đồ mạch cơ bản............................................................................................................ 47
Hình 3.16. Sơ đồ mạch bán kỳ dương............................................................................................. 47
Hình 3.17. Sơ đồ mạch bán kỳ âm.................................................................................................... 48

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


viii

Hình 3.18. Bảng hệ thống điều khiển tự động.............................................................................. 48
Hình 3.19. Sơ đồ mạch điện của bảng điều khiển....................................................................... 49
Hình 3.20. Bộ truyền đai....................................................................................................................... 50
Hình 3.21. Bộ truyền xích.................................................................................................................... 50
Hình 3.22. Bộ truyền trục vít.............................................................................................................. 51
Hình 3.23. Đồ thị biến thiên nhiệt độ của bếp.............................................................................. 54
Hình 3.24. Khảo nghiệm bếp.............................................................................................................. 55
Hình 3.25. Cơm sau khi nấu................................................................................................................ 55
Hình 3.26. Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trung bình của bếp tĩnh và bếp động..................57
Hình 3.27. Khảo nghiệm bếp động................................................................................................... 57

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


9

MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong q trình Cơng nghiệp hóa – Hiện đại hóa (CNH-HĐH), nhu cầu về năng
lượng ngày càng tăng. Trong đó, nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ,
khí thiên nhiên… đóng vai trị chủ chốt hiện nay. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng
nguồn năng lượng truyền thống này quá mức đã và đang gây ô nhiễm môi trường
nghiêm trọng. Đồng thời, với một trữ lượng có hạn, nguồn năng lượng truyền thống có
khả năng dần cạn kiệt sau 50 đến 70 năm nữa đang khiến cho nhân loại đứng trước
nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng. Vì vậy, các nguồn năng lượng tái tạo như
năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển,
năng lượng địa nhiệt… đang là những nguồn năng lượng triển vọng, được coi là nguồn
năng lượng của tương lai, sẽ đáp ứng tốt các nhu cầu về năng lượng, tiết kiệm điện
năng và góp phần bảo vệ mơi trường.
Trong số những nguồn năng lượng tái tạo nêu trên, năng lượng mặt trời là nguồn
năng lượng sạch, có trữ lượng lớn và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu
hiện nay. Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng chính dần
thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã
hội là chiến lược phát triển năng lượng có ý nghĩa cao về mặt kinh tế xã hội, an ninh
quốc phòng.
Hơn thế nữa, Việt Nam là một nước nhiệt đới, nằm ở vành đai nội chí tuyến, tổng
số giờ nắng trong năm lớn. Ở khu vực miền Trung có khoảng 2900 giờ nắng/năm và
với cường độ bức xạ cao, lên đến 950W/m2. Vì thế, việc triển khai ứng dụng các thiết
bị sử dụng năng lượng mặt trời là rất triển vọng. Năng lượng mặt trời được coi là một

giải pháp hoàn toàn phù hợp nếu được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày.
Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt
trời nói riêng trên thế giới cũng như ở nước ta hiện nay còn rất hạn chế do nhiều
nguyên nhân như cơng nghệ sản xuất mới, chi phí đầu tư ban đầu quá cao… Đặc biệt,
hiệu suất của các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ các nhu cầu dân sinh
hiện nay còn rất thấp. Các thiết bị này chỉ tập trung vào đun nước nóng, nấu ăn, các hệ
thống điện chiếu sáng nhỏ độc lập... Hiệu suất của các loại thiết bị sử dụng bằng năng
lượng mặt trời nói chung và bếp năng lượng mặt trời nói riêng cịn hạn chế do nhiều
ngun nhân. Một trong số đó là việc hiệu suất thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
phụ thuộc nhiều về góc tới của chùm bức xạ nhiệt ánh sáng mặt trời tới bề mặt hấp thụ
nhiệt hoặc ánh sáng của thiết bị do vị trí của mặt trời thay đổi liên tục trong ngày.
Bếp sử dụng năng lượng mặt trời có nhiều dạng nhưng có thể chia ra hai nhóm
theo hai nguyên tắc là hội tụ (bếp parabol) và bẫy nhiệt hiệu ứng nhà kính (bếp hình
hộp). Nhìn chung, hai loại bếp đều có nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, có hiệu
suất thấp hoặc bất tiện cho người sử dụng. Bếp parabol sử dụng mặt cầu phản chiếu và
tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm nơi vật dụng đun nấu được đặt ngay tại tiêu

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


10

điểm đó. Theo đánh giá chung, bếp này có nhiều bất cập như chế tạo phức tạp, bếp chỉ
hoạt động tốt khi cường độ bức xạ cao, người sử dụng gặp phải các vấn đề sức khỏe về
da và mắt do ánh sáng phản chiếu trực tiếp vào cơ thể. Trong khi đó, bếp hộp hoạt
động như một bẫy nhiệt, theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính, tích nhiệt từ ánh nắng mặt
trời truyền vào vật dụng đun nấu. Vật dụng đun nấu được tăng cường và duy trì nhiệt
nhờ nhiệt trong mơi trường khơng khí giữ kín trong hộp bếp. Bếp hộp được khuyến
cáo cáo sử dụng nhiều hơn bếp parabol do có nhiều ưu điểm như chế tạo đơn giản, bếp
vẫn hoạt động tốt khi cường độ bức xạ của ánh nắng mặt trời không cao, không gây

các ảnh hưởng về sức khỏe cho người sử dụng.… Thực tế sử dụng cho thấy, hiệu suất
của bếp được cải thiện đáng kể khi người sử dụng quay bếp theo sự di chuyển của mặt
o

trời một góc 5 mỗi 15 phút. Điều này có ý nghĩa đáng kể tại thời điểm sử dụng bếp từ
8 đến 10 giờ và từ 14 đến 16 giờ khi mà góc tới của ánh nắng mặt trời hợp với bề mặt
hấp thụ nhiệt của bếp là lớn nhất so với trường hợp thường đặt bếp cố địch và mặt bếp
thẳng góc với mặt trời tại thời điểm giữa trưa. Điều này đồng nghĩa với việc tại hai
khoảng thời gian nêu trên, hiệu suất bếp là rất thấp.
Vì vậy, nhằm tăng hiệu suất của bếp, giảm ảnh hưởng đến sức khỏe người sử
dụng, giải phóng người sử dụng do phải lệ thuộc vào giám sát bếp, sử dụng bếp thì nhu
cầu về một loại bếp tự động xoay theo hướng nắng có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng
là một nhu cầu chính đáng. Điều này đặc biệt ý nghĩa với người dân nghèo tại vùng
đệm các khu bảo tồn sinh thái, rừng các loại khỏi nguy cơ cháy rừng, tàn phá rừng do
người dân vào rừng chặt gỗ làm chất đốt, đun nấu gây ra. Xuất phát từ nhu cầu thực
tiễn nêu trên, tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ
thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời”.
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

2.1. Mục tiêu chung
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu bếp tự động điều chỉnh theo hướng nắng mặt
trời có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng, hiệu suất sử dụng cao.
2.2. Mục tiêu cụ thể
Nghiên cứu góc tới phát tia bức xạ của mặt trời theo từng thời điểm trong ngày tại
khu vực thực hiện thí nghiệm.
Thiết kế, chế tạo mẫu bếp phù hợp mục tiêu đề ra
Thiết kế cơ cấu truyền động hiệu quả
Thiết kế mạch điều khiển hiệu quả, dễ sử dụng và thay thế, giá thành thấp.

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm

11

3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
3.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả tính tốn, thiết kế và khảo nghiệm các thông số kỹ thuật sẽ làm cơ sở
khoa học cho nghiên cứu phát triển liên quan trong khai thác năng lượng mặt trời.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả xây dựng một mẫu bếp hồn chỉnh, tự động hóa với giá thành thấp, sử
dụng dễ dàng, dễ thay thế, hoạt động hiệu quả phù hợp với điều kiện giờ nắng và đối
tượng sử dụng trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế. Từ đó, tạo điều kiện phổ biến rộng
rãi và khuyến khích người dân sử dụng mẫu bếp nhằm tiết kiệm chi phí chất đốt, bảo
vệ mơi trường...

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


12

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.1. Nguồn năng lượng mặt trời
Mặt trời là một khối cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km với thành phần gồm
các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp
suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của trái đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các
phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng phân
hạch này, trong qua trình được truyền từ tâm mặt trời ra ngoài, tương tác với các
nguyên tố khác bên trong mặt trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp

hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với
phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng
khác nhau. Quá trình bức xạ của mặt trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục
trong vài tỷ năm nữa.
Cấu trúc mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng
lồ (Hình 1.1). Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy
ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán
3

kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160kg/dm , nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20
triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian
còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngồi, vật chất ở
vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni),
cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H 2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng
400.000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có
nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sơi sục, có chỗ tạo ra
các vết đen, là các hố xốy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ
7000K -10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời.

Hình 1.1. Cấu trúc của mặt trời

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


13

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng
5

hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ ban đầu khi đi qua 5.10 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 bước sóng. Bức xạ là sóng ngắn
nhất trong các sóng đó. Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng
lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy
bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen có bước 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.
Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong khơng gian bên ngồi mặt trời là
-1

một phổ rộng, trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10 - 10 m và hầu
như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 m
đó là vùng nhìn thấy của phổ.
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
2

với với 1m bề mặt đặt vng góc với tia bức xạ, được tính theo cơng thưc :
q=
Ở đây
D−T

D−T

- hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời

= 2/4

β - góc nhìn mặt trời (Hình 1.2)
2

4

C0 = 5,67 W/m .K - hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T

o

5762 K -nhiệt độ bề mặt mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối)

Vậy

q

Hình 1.2. Góc nhìn mặt trời


PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


14

Các tính tốn bức xạ mặt trời:
- Hệ số khối khơng khí: m, là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức

xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở
0

thiên đỉnh). Như vậy m =1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh z là 60 .
0

Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-70 có thể xác định gần đúng m =1/cos z. Cịn đối với
0
các góc z>70 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính tốn. Riêng đối
với trường hợp tính tốn bức xạ mặt trời ngồi khí quyển m =0.
- Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi khơng bị bầu khí quyển phát tán. Đây

là dịng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ).
- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự

phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ cịn được gọi là bức
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, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
2

- Cường độ bức xạ (W/m ): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt

tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ
bức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp.
2

- Năng lượng bức xạ (J/m ): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị

diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại
lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định
(thường là 1 giờ hay 1 ngày).
- Giờ mặt trời : là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu

trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của
người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt
trời, nó 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 được xác định
theo các góc đặc trưng sau :
- Góc vĩ độ : vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam

đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương.
0

0

- 90 90

- Góc nghiêng : góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính tốn và phương nằm ngang.

0

0

180

( > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới).

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


15
- Góc phương vị của bề mặt : góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên

mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến. Góc = 0 nếu bề mặt quay về hướng
chính nam, lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về
phía đơng.
-180

0

0

180

Hình 1.3. Góc hình học tia bức xạ mặt trời và mặt phẳng nghiêng
- Góc giờ : góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đơng hoặc phía tây của

kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị
0

15 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+).
- Góc tới : góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
- Góc thiên đỉnh z: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.

Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới .
- Góc cao mặt trời : góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là

góc phụ của góc thiên đỉnh.
- Góc phương vị mặt trời s: góc lệch so với phương 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 dương (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.

- Góc lệch : vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là

khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với
hướng phía bắc là hướng dương.
-23,45

0

23,450

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


Góc lệch có thể tính tốn theo phương trình của Cooper:
= 23,45.sin(360
Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình
giữa góc tới và các góc khác như sau:
cos = sin .sin . cos

- sin .cos . sin .cos

+ cos .cos .cos .cos

+

+ cos .sin .sin .cos .cos + cos .sin .sin .sin
và:cos = cos z.cos + sin z.sin .cos( s - )
Đối với bề mặt nằm ngang góc tới chính là góc thiên đỉnh của mặt trời z, giá trị
0

0

của nó phải nằm trong khoảng 0 và 90 từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời ở thiên
đỉnh ( = 0):
cos

z

= cos .cos .cos + sin .sin

1.1.2. Phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời đã và đang được sử dụng nhiều trong thực tiễn như: sản
xuất điện từ pin quang điện, sưởi ấm không gian và làm mát thông qua thiết kế kiến
trúc, chưng cất nước uống và khử trùngbằng bình nước nóng năng lượng Mặt Trời, nấu
ăn bằng bếp năng lượng mặt trời v.v...
Tóm lại, có thể chia phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời thành hai nhóm là:
+ Nhiệt năng: chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống

sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện
+ Quang điện: chuyển bức xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành

điện năng
1.1.3. Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
Như đề cập ở trên, hai dạng ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện
nay là hệ thống chuyển hoá năng lượng mặt trời thành nhiệt năng như hệ thống đun
nước nóng năng lượng mặt trời, bếp nấu ăn bằng năng lượng mặt trời, hệ thống sấy
năng lượng mặt trời... và hệ thống chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng
như pin năng lượng mặt trời (Pin quang điện). Dưới đây là một số ứng dụng rất thiết
thực từ năng lượng mặt trời trong đời sống.
- Bếp năng lượng mặt trời: Có hai dạng bếp nấu là bếp parabol và bếp hộp. Với

bếp parabol, năng lượng mặt trời thu được qua các chảo thu nhiệt hình parabol hay
hình hộp. Bếp parabol, nồi chứa thức ăn được đặt giữa một bán cầu được tráng gương
để phản xạ và tập trung tia mặt trời vào nồi chứa. Để duy trì nhiệt độ, người ta đặt một
cái bao giữ nhiệt trong suốt bằng nylon bao quanh nồi chứa. Chảo thu nhiệt cần phải


PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


17

thường xuyên điều chỉnh quay theo hướng mặt trời để thu được nhiều nắng nhất. Ứng
dụng này được sử dụng để nấu ăn với số lượng lớn và được khai thác ở nhiều nơi trên
thế giới, đặc biệt là Trung Quốc . Ở bếp hộp thì nồi nấu đặt bên trong thành bếp và thu
nhiệt nhờ hai tấm gương phản xạ được gắn hai bên cánh phản xạ của bếp. Ngồi ra,
phía trong là mặt nhơm được đánh bóng để phản xạ, biên dạng của mặt phản xạ được
thiết kế là mặt kết hợp của các parabol tròn xoay sao cho nồi nấu có thể nhận được
chùm tia trực xạ của ánh sáng mặt trời và chùm phản xạ từ gương phẳng khi đặt cố
định. Bếp có giá thành rẻ và hiệu suất khá cao nhưng cũng phải thường xuyên điều
chỉnh bếp quay theo hướng mặt trời.

Hình 1.4. Hai loại bếp nấu năng lượng mặt trời
- Xe ô tô điện: Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời thường được lắp một số tấm

năng lượng mặt trời trên mui xe. Còn đối với xe đạp năng lượng mặt trời thì các tấm
năng lượng mặt trời được gắn trên áo người lái xe. Những loại xe này chủ yếu được sử
dụng cho mục đích trình diễn và thử nghiệm về kỹ thuật. Người lái xe có thể theo dõi
năng lượng tiêu hao và năng lượng thu được qua các loại đồng hồ lắp trên xe. Trên thế
giới hiện nay có một số giải đua xe năng lượng mặt trời, trong đó có 2 giải tương đố

nổi tiếng là giải The World Solar Challenge được tổ chức ở Úc với quy định người
tham gia phải vượt qua một quãng đường dài đến 3000 km xuyên qua Úc. Giải thứ hai
là The North American solar challenge lần đầu được tổ chức vào năm 2008 với chặng
đua từ bang Texas – Hoa Kỳ đến Canada

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


18

Hình 1.5. Xe điện năng lượng mặt trời
-Vơ trùng nước: Việc vơ trùng nước bằng năng lượng mặt trời có thể được thực
hiện bằng các hộp thu năng lượng mặt trời. Có cấu tạo gồm một khung gỗ có phủ lớp
màng mỏng được sơn đen để tập trung nhiệt lượng từ ánh nắng mặt trời. Phía trong có
0

một bình đựng nước. Nhiệt lượng thu được từ ánh nắng sẽ đun nước tới khoảng 65
sau vài chục phút và sau đó sẽ được vô trùng. Một hộp năng lượng mặt trời như vậy có
thể vơ trùng được khoảng 4 lít nước trong vịng 3 tiếng đồng hồ.

Hình 1.6. Thiết bị vơ trùng nước năng lượng mặt trời
- Sản xuất Hydro: Hiện tượng điện phân có thể phân tách phân tử nước thành

các nguyên tử hydro và oxy, sau đó hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Nếu
lượng điện cần thiết cho quá trình điện phân được cung cấp từ các nguồn nhiên liệu
hóa thạch thì khí CO2 sẽ bị phát thải ra mơi trường, cịn nếu hiện tượng điện phân
được thực hiện bởi các tế bào năng lượng mặt trời thì sẽ khơng có ơ nhiễm mơi trường.
Một số công ty sản xuất ô tô trên thế giới đang thử nghiệm một số động cơ sử dụng

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm

19

nhiên liệu hydro. Hydro được lưu trữ trong một số thùng đặt trong than xe. Sau đó,
một hệ thống động lực sẽ chuyển đổi hydro thành điện năng để vận hành chiếc xe.

Hình 1.7. Ơ tơ sử dụng nhiêu liệu Hydro
- Sưởi ấm: Một số ngư dân Canada đã thiết kế ra lều câu cá trên băng được sưởi

ấm bằng ánh nắng Mặt Trời dựa vào việc tận dụng sự phản xạ của ánh nắng Mặt Trời
trên mặt băng tuyết để thu được nhiệt lượng mong muốn. Trước tiên, những ngư dân
này bao kín những kẽ hở trên căn lều của họ bằng một ít lá thiếc, sau đó dùng hai tấm
nhựa để làm thành hai cánh cửa và một ít lưới chắn côn trùng để che bốn của sổ căn
lều. Ánh nắng sẽ làm nóng khơng khí bên trong lều và sưởi ấm cho những người ngồi
câu cá trên băng theo ngun lý hiệu ứng nhà kính. Khối khơng khí lạnh bên ngồi lều
và khơng khí nóng bên trong lều sẽ được lưu thơng qua những chiếc của sổ.

Hình 1.8. Lều sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời
-Máy bay: Chiếc máy bay mang tên The Solar Impulse với 12.000 tế bào quang
điện trên cánh là một mẫu thử của máy bay năng lượng Mặt Trời, chiếc máy bay này
đã có chuyến bay vịng quanh thế giới vào năm 2012. Trước đó vào tháng 4/2012, The

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


20

Solar Impulse đã bay trên vùng trời Switzerland trong 87 phút ở độ cao 1.200m. Thân
chiếc máy bay này được làm từ vật liệu sợi carbon để đạt trọng lượng nhẹ nhất. Thời

gian để chế tạo ra chiếc máy bay độc đáo này lên đến 6 năm. Với sải cánh tương
đương máy bay Aribus 340 (63,4 mét) và cân nặng khoảng 1,5 tấn, chiếc máy bay này
được trang bị 4 động cơ điện để có thể bay được cả ngày lẫn đêm nhờ vào năng lượng
mặt trời được chuyển hóa thông qua các tế bào quang điện và tồn trữ trong các bộ pin
có hiệu suất rất cao. Tốc độ lớn nhất theo nhiệt kế vào khoảng 44km/h và độ cao tối đa
là 8km.

Hình 1.9. Mẫu máy nay năng lượng mặt trời
-Đèn giao thơng: Đèn tín hiệu giao thơng sử dụng năng lượng mặt trời có ưu điểm
là khơng cần sử dụng dây điện và khá linh hoạt, có thể tiết kiệm khá nhiều tiền điện khi
hoạt động liên tục trong thời gian dài. Chúng được thiết kế với một số bóng đèn LED thân
thiệt với mơi trường và khơng cần sạc lại trong một thời gian khá lâu. Trong trường hợp
mất điện lưới thì những đèn tín hiệu giao thơng này vẫn tiếp tục hoạt động

Hình 1.10. Đèn giao thông năng lượng mặt trời

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


21

-Chiếu sáng: Cứ vào khoảng thời gian từ tháng 11 đến tháng 2 hàng năm thì
một ngơi làng nhỏ tên là Viganella ở Ý lại chìm vào bóng tối vì ánh nắng mặt trời
không chiếu được đến đáy của thung lũng nơi ngôi làng tọa lạc. Nhằm mang ánh sáng
đến ngôi làng này, một tấm gương khổng lồ làm bắng kim loại có đường kính đến 8,5
mét đã được lắp đặt trên đỉnh một ngọn núi cao 1.100 mét trên dãy Anpo, tấm gương
này được điều khiển bởi một máy tính để xoay chuyển theo hướng mặt trời và phản xạ
ánh nắng xuống một diện tích khoảng 250 mét vng tại trung tâm của ngơi làng trong
vịng 6 tiếng đồng hồ của những ngày có nắng.

Hình 1.11. Gương phản xạ ánh nắng mặt trời vào thung lũng Viganella
-Sạc pin: Điện thoại, máy nghe nhạc...đều cần được sạc pin và việc sạc pin có
thể được thực hiện bởi một thiết bị mới là sạc năng lượng mặt trời. Thiết bị này có gắn
một tấm năng lượng mặt trời để tích quang năng thành điện năng. Thiết bị này tương
đối rẻ và rất tiện lợi, gọn nhẹ, giúp sạc điện cho các thiết bị cầm tay ở những nơi
khơng có nguồn điện lưới.

Hình 1.12. Sạc pin bằng năng lượng mặt trời

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm


22

1.1.4. Tình hình phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời
1.1.4.1. Phân bố khai thác năng lượng mặt trời trên thế giới
Trên thế giới, về phương diện khu vực thì Châu Á, Châu Âu, Bắc Mỹ có cơng suất
khai thác điện mặt trời lớn nhất. Về phương diện quốc gia, Nhật Bản, Mỹ, Đức…là các
quốc gia dẫn đầu về khai thác năng lượng mặt trời với việc xây dựng các hệ thống điện
mặt trời có cơng suất lắp đặt lên đến hàng trăm MW. Mỹ, Áo, Tây Ban Nha, Nhật Bản
và Pháp là các quốc gia dẫn đầu về khai thác nhiệt mặt trời tạo điện thông qua các hệ
thống tập trung ánh sáng có cơng suất lắp đặt lên đến hàng trăm MW (Hình 1.13). Chỉ
riêng vào năm 1995, tại cộng đồng Châu Âu đã có 6,5 triệu m2 diện tích lắp đặt gương
tập trung ánh sáng mặt trời với tốc độ phát triển là 15% trong năm trước đó.
Các tác động về mơi trường
So với các nhà máy điện truyền thống, điện mặt trời gây rất ít tác động đến mơi
trường. Trong q trình vận hành, các pin quang điện hồn tồn khơng sử dụng bất cứ
dạng nhiên liệu nào, do đó khơng thải ra khí hoặc chất lỏng độc hại và không sử dụng
nước để hạ nhiệt. Các ảnh hưởng tiêu cực đến mơi trường, nếu có, từ điện mặt trời là
các chất hóa học sử dụng trong quá trình chế tạo, sản xuất pin và diện tích đất sử dụng.

Trong qúa trình chế tạo một số loại pin quang điện, đặc biệt là pin Pallium
arsenide, một số hóa chất độc có thể được sử dụng. Các chất này được sinh ra trong
các nhà máy, do đó việc kiểm sốt chặt chẽ q trình sản xuất và quản lý hợp lý các
chất thải độc hại, các nguy cơ làm ô nhiệm môi trường sẽ giúp giảm thiểu. Việc xử lý
các pin mặt trời sau khi hết hạn sử dụng cũng là một vấn đề đáng lưu ý. Tuy nhiên hầu
hết các vật liệu có khả năng gây hại đều có thể được tái chế.
Gần đây người ta đưa ra một số lo ngại về vấn đề diện tích đất địi hỏi để có thể
sản xuất một số lượng lớn điện mặt trời. Tuy nhiên, thực tế là nếu tính gộp tất cả các
giai đoạn địi hỏi trong quá trình sản xuất điện, các mạng điện mặt trời chiếm một diện
tích sử dụng (trên một đơn vị điện) ngang bằng với các nhà máy điện than hoặc điện
nguyên tử. Ngồi ra phải kể đến khả năng thích ứng của các hệ thống quang điện cục
bộ với các cấu trúc xây dựng, ví dụ như lắp đặt các dàn pin mặt trời trên mái nhà ...
hoặc là việc tận dụng các khu vực đất trống bỏ hoang (ít giá trị) như trên sa mạc.

PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterm