Nghiên cứu, thiết kế, viết chương trình tính toán đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và định hướng của dàn pin mặt trời lên điện năng do nó phát ra tại một số địa phương ở việt nam

1.4 Thang sóng điện từ của Bức xạ mặt trời 1.5 Các góc xác định tia mặt trời tới trên mặt ngang và nghiêng 1.6 Sự thay đổi của góc lệch của mặt trời theo thời gian trong năm.. 4.1 Sơ đ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT

ĐỘ VÀ ĐỊNH HƯỚNG CỦA DÀN PIN MẶT TRỜI LÊN ĐIỆN NĂNG DO NÓ PHÁT RA TẠI MỘT SỐ

ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM

NGÀNH : VẬT LÝ KỸ THUẬT NGUYỄN TRƯỜNG MINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG ĐÌNH THỐNG

HÀ NỘI 2007

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1.1 Cấu tạo của Mặt trời

1.2 Sự chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời

1.3 Phổ bức xạ Mặt Trời

1.4 Thang sóng điện từ của Bức xạ mặt trời

1.5 Các góc xác định tia mặt trời tới trên mặt ngang và nghiêng

1.6 Sự thay đổi của góc lệch của mặt trời theo thời gian trong năm

2.1 Các quá trình lượng tử trong hệ hai mức và hai vùng năng

2.2 Hiệu suất biến đổi quang điện phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm của vật liệu

2.3 Năng lượng tổn hao và hiệu suất biến đổi quang điện của Si

2.4 Sự tạo thành dòng quang điện

2.5 Sự phụ thuộc của số cặp e - - h + được tạo ra khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p- n vào độ rộng vùng cấm của vật liệu

2.6 Các mạch điện đo đặc trưng VA của tiếp xúc bán dẫn p-n

2.7 Đặc trưng sáng & tối của tiếp xúc bán dẫn p-n

2.8 Sơ đồ tương đương (a) và đường đặc trưng sáng (b)của PMT

2.9 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của PMT vào CĐBX

2.10 Sự phụ thuộc của đặc trưng sáng VA của PMT vào nhiệt độ của PMT

2.11 Sự phụ thuộc của hiệu suất PMT vào nhiệt độ

2.12 Cấu tạo Pin mặt trời

3 Sơ đồ khối tổng quát của hệ nguồn điện mặt trời độc lập

4.1 Sơ đồ tương đương của PMT

4.2 Sự phụ thuộc của hiệu suất PMT vào nhiệt độ

4.3 Cường độ trực xạ trên mặt phẳng nghiêng

4.4 Xác định góc cao mặt trời đối với dàn Pin mặt trời

4.5 Tán xạ trên mặt nghiêng

4.6 Phản xạ trên mặt nghiêng

5.1 Lưu đồ thuật toán chương trình

5.2 Giao diện lựa chọn thông số đầu vào

5.3 Giao diện khối tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ

5.4 Giao diện khối tính toán ảnh hưởng của định hướng dàn PMT

5.5 Giao diện khối tính toán ảnh hưởng của cả nhiệt độ và định hướng dàn PMT

6.1 Giao diện nhập dữ liệu đầu vào tính toán cho Tỉnh Đà Nẵng

6.2 Giao diện kết quả tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ tới công suất phát PMT tại Tỉnh Đà Nẵng

6.3 Giao diện kết quả tính toán ảnh hưởng của góc nghiêng tới công suất phát PMT tại Tỉnh Đà Nẵng

6.4 Giao diện kết quả tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ và góc nghiêng tới công suất phát PMT tại Tỉnh Đà Nẵng

6.5 Giao diện kết quả tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ tới công suất phát PMT tại Tỉnh Quảng Ninh

6.6 Giao diện kết quả tính toán ảnh hưởng của góc nghiêng tới công suất phát PMT tại Tỉnh Quảng Ninh

6.7 Gia o diện kết quả tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ và góc nghiêng tới công suất phát PMT tại Tỉnh Quảng Ninh

6.8 Giao diện kết quả tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ và góc nghiêng tới công suất phát PMT tại Tỉnh Quảng Ninh

6.9 Giao diện kết quả tính toán ảnh hưởng của góc nghiêng tới công suất phát PMT tại Hồ Chí Minh

6.10 Giao diện kết quả tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ và góc nghiêng tới công suất phát PMT tại Hồ Chí Minh

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1.1 Các thông số và thành phần của Mặt trời

1.2 Phân bố phổ bức xạ Mặt Trời bên ngoài khí quyển

1.3 B ảng hệ số truyền qua theo các bước sóng

1.4 Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

1.5 Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời

3 Nhu cầu điện năng

4.1 Các giá trị của E g (0), a và b của vài vật liệu PMT điển hình

4.2 Giá trị Hệ số phản xạ phụ thuộc vào bề mặt

PH ẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, khi mà những nguồn năng lượng truyền thống như than, dầu khí…đang dần bị khai thác cạn kiệt, cùng với việc ô nhiễm môi truờng ngày càng trở nên nghiêm trọng thì vấn đề cung cấp năng lượng cũng như đảm bảo

an ninh năng lượng quốc gia và cải thiện tình hình môi trường hiện là một chủ

đề hết súc nóng bóng của mỗi quốc gia trên thế giới Đã có rất nhiều biện pháp được đưa ra như sử dụng tiết kiệm, chống khai thác lãng phí các nguồn năng lượng… Tuy nhiên, các giải pháp đó mới chỉ giải quyết được những vấn

đề trước mắt, còn lâu dài, bắt buộc chúng ta phải tìm ra các nguồn năng lượng mới và tích cực nghiên cứu nhằm thúc đẩy khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo nhiều hơn nữa

Năng lượng mặt trời là một trong số những nguồn năng lượng tái tạo hiện đang được quan tâm nhất hiện nay Nó không những là một nguồn năng lượng có thể khai thác vô tận mà còn là một nguồn năng lượng rất sạch và thân thiện với môi trường Ngoài ra, nó cũng có ưu điểm là dễ vận chuyển và thích hợp đối với những khu vực vùng cao, vùng sâu vùng xa, hải đảo nơi mà nguồn điện lưới quốc gia không tới được hoặc nếu có tới được thì chi phí cũng rất tốn kém và khó khăn

Trên thế giới việc nghiên cứu, ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp điện năng hay cụ thể là pin mặt trời đã có từ rất lâu và cho tới nay đã trở nên rất phổ biến và sôi động Đã có rất nhiều nơi, nhiều lĩnh vực ứng dụng pin mặt trời như các công trình đèn chiếu sáng trong giao thông, các tấm pin cấp điện cho tàu vũ trụ, cấp điện cho các hộ dân…Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên thì pin mặt trời cũng có một nhược điểm rất lớn hiện nay là vấn đề hiệu suất phát điện chưa cao và giá thành rất đắt Do đó mà pin mặt trời mới chỉ chủ yếu được ứng dụng rộng rãi tại các nước phát triển Còn đối với

những nước đang phát triển như Việt Nam thì việc triển khai và ứng dụng vẫn còn gặp nhiều khó khăn

Hiện tại thì ở Việt Nam, mặc dù cũng có nhiều dự án cấp điện bằng năng lượng mặt trời, chủ yếu là cho các khu vực vùng sâu, vùng xa và hải đảo Tuy nhiên vẫn còn nhiều nơi tính toán, lắp đặt chưa hiệu quả làm giảm hiệu suất và gây lãng phí Có rất nhiều nguyên nhân như ngân hàng dữ liệu về bức xạ mặt trời và số giờ nắng tại các địa phương còn rất thiếu và chưa chính xác do các trạm đo hiện nay chủ yếu vẫn là các trạm đo không chuyên dụng

và một số lượng lớn đã quá cũ Ngoài ra còn có yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất phát điện của pin mặt trời tại các địa điểm lắp đặt nữa là nhiệt độ và định hướng của dàn pin Việc xét ảnh hưởng của nhiệt độ giúp chúng ta rất nhiều trong việc lựa chọn chủng loại pin cũng như công suất cho phù hợp, và việc xét ảnh hưởng của định hướng dàn pin mặt trời giúp chúng

ta có thể lựa chọn được một góc nghiêng tốt nhất cho dàn pin để đạt được hiệu suất phát điện tốt nhất

Hiện có rất nhiều phần mềm tính toán, thiết kế lắp đặt pin mặt trời trên thế giới, tuy nhiên hầu hết các phần mềm đều tập trung vào việc thiết kế lắp đặt dàn pin chứ chưa xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ và định hướng của dàn pin, hoặc nếu có thì việc ứng dụng phần mềm đó cũng chỉ dựa vào kết quả thu được mà không hiểu được các bước thực hiện tính toán Do vậy mà vấn đề cấp bách đặt ra hiện nay đối với việc ứng dụng pin mặt trời là phải nghiên cứu, tính toán được mọi yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phát điện của dàn pin

để từ đó lựa chọn được giải pháp tốt nhất, tiết kiệm chi phí lớn nhất cho việc

sử dụng pin

Trong khuôn khổ luận văn này, các vấn đề về tính toán lý thuyết và cũng như cấu trúc phần mềm tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ và định hướng

của dàn pin mặt trời lên công suất phát của nó sẽ được trình bày cụ thể Đồng thời cũng qua đây, sẽ áp dụng và tính toán thử nghiệm đối với một số tỉnh đại diện cho ba miền Bắc, Trung, Nam của Việt Nam là Quảng Ninh, Đà Nẵng và thành phố Hồ Chí Minh

Và để có thể hoàn thành được luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự góp ý và giúp đỡ của các thầy cô giáo, đồng nghiệp và các bạn bè Qua đây, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu

sắc nhất tới thầy giáo đã hướng dẫn rất tận tình và chu đáo cho tôi là PGS

TS Đặng Đình Thống – Giám đốc Trung tâm năng lượng mới, Trường đại

học Bách Khoa Hà Nội Xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả thầy cô, đồng nghiệp và các bạn đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG I NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

I.1 Nguồn năng lượng mặt trời

I.1.1 Cấu tạo Mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng gần như là vô tận,

có thể nói rằng nó sẽ là một trong những nguồn năng lượng chính trong tương lai không xa nữa Ngay từ những năm 1970, con người đã sử dụng nguồn NLMT như là một trong những nguồn năng lượng để thay thế cho các nguồn năng lượng hoá thạch đang dần dần cạn kiệt Để có thể hiểu và khai thác được nguồn NLMT chúng ta sẽ tìm hiểu qua về Mặt trời

Ngày nay, với những tiến bộ vượt bậc của khoa học, bằng những thiết

bị đo đạc vật lý có độ chính xác cao chúng ta đã có thể biết được khá rõ về cấu tạo và những đặc trưng cơ bản nhất của Mặt trời

2.500km 500km

0,86R 0

R 0

8.106K

R 0 /4 1,5.107K

S ắc cầu Nhật miện

H ạt dạng kim Hạt

106K

10-14g/cm3

Hình 1.1 Cấu tạo của Mặt trời

Mặt Trời đã hình thành cách đây khoảng 5 Ga (5 tỷ năm) trước theo như kết quả tính toán của ngành niên đại vũ trụ học Mặt Trời quay xung quanh tâm của Ngân Hà ở khoảng cách khoảng 25.000 đến 28.000 năm ánh sáng tính từ tâm thiên hà này, nó hoàn thành một chu kỳ quay vào khoảng 226

Ma (226 triệu năm) Vận tốc quỹ đạo là 217 km/s, có nghĩa là 1 năm ánh sáng bằng 1.400 năm và 1 đơn vị thiên văn (bằng khoảng cách từ Mặt trời tới trái đất) bằng 8 ngày di chuyển của nó Mặt trời tự quay quanh trục của nó hết 28 ngày đêm nhưng không giống với sự tự quay của một vật rắn, chu kỳ quay

của xích đạo Mặt trời là 27 ngày đêm, còn ở hai cực lại là 30 ngày đêm

Mặt trời là một khối cầu gần như hoàn hảo với độ dẹt khoảng 9 phần triệu chủ yếu là do lực hấp dẫn của Mộc tinh Mặt Trời không có ranh giới rõ ràng như ở các hành tinh có đất đá Đường kính của Mặt trời là 1,39.106km (gấp khoảng 109 lần đường kính Trái đất) Thành phần khí cấu tạo của Mặt

trời chủ yếu là Hydro (chiếm tới 80%) và nguyên tố Heli chiếm gần 20%, các phân tử khí liên kết với nhau nhờ lực hấp dẫn Mật độ các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ theo khoảng cách tính từ tâm Mặt Trời Khoảng cách trung bình giữa Mặt trời và Trái đất sấp xỉ 1,5.108km Sau đây là một số thông

số cơ bản của Mặt trời

Tỷ trọng 1,408g/cm3 Neon 0,12% Gia tốc trọng

I.1.2 Năng lượng Mặt trời

Mặt trời thực chất là một lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ Tại tâm của Mặt Trời, mật độ của nó khoảng 150 g/cm³ và nhiệt độ khoảng từ 8.106K đến 40.106K lan truyền dần ra lớp vỏ ngoài, sau đó phát xạ dưới dạng sóng điện từ lan truyền ra khắp không gian vào vũ trụ, nhiệt độ trên bề mặt Mặt trời khoảng 6000K chính xác là 5762K Vùng trung tâm thể tích ứng với 0,23R (R-bán kín Mặt Trời) chỉ chứa khoảng 40% khối lượng và 15% thể tích của

Mặt Trời, nhưng chiếm tới 90% năng lượng của nó Ở khoảng cách 0,7R nhiệt

độ giảm xuống còn 130.000K, tại đây khối lượng riêng giảm xuống còn 0,07kg/m3 và bắt đầu xảy ra hiện tượng đối lưu Lớp vỏ ngoài từ 0,7R đến R cũng là vùng đối lưu và nhiệt độ ở vùng này còn khoảng 5000K, khối lượng riêng giảm xuống chỉ còn khoảng 10-8kg/m3 Lớp phí trên vùng đối lưu gọi là

mặt phát quang hay quang cầu (photosphere) Mép của quang cầu là một đường vành rõ nét, có cấu tạo tương tự như tập hợp bởi nhiều “hạt” gọi là tế bào đối lưu không bình thường Đường kính của mỗi tế bào ước tính khoảng

1000 đến 3000km, thời gian tồn tại của chúng chỉ trong một vài phút Lớp sát

mặt ngoài quang cầu với chiều dày khoảng vài trăm km có khối lượng riêng tăng đột ngột, đạt đến khoảng 10-4 lần so với khối lượng riêng của không khí trên mặt biển nên được gọi là lớp đảo Tiếp theo lớp đảo là vành lửa (chromosphere) có chiều dày khoảng 104km và nhiệt độ của lớp này khoảng 5000K Cuối cùng là vành nhật hoa (Corona) có khối lượng riêng thấp nhất nhưng nhiệt độ rất cao khoảng 106K

Trên đây là một bức tranh mô tả đơn giản cấu trúc vật lý của Mặt Trời (về nhiệt độ và gradien khối lượng riêng của nó) Vì vậy, một cách chính xác ta không thể nói Mặt Trời là một vật đen Vì vật đen phát xạ ra các bức xạ ở một nhiệt độ xác đinh nào đó Còn Mặt Trời thì phát xạ bức xạ từ nhiều lớp, mỗi lớp ứng với những nhiệt độ khác nhau nên đã tạo ra dãy phổ liên tục có bước sóng λ = 0 ÷ ∞μm Tuy nhiên trong lĩnh vực nghiên cứu về quá trình nhiệt người ta có thể coi Mặt Trời là một vật đen, phát xạ ở nhiệt độ 6000K Còn các lĩnh vực nghiên cứu khác, chẳng hạn như quá trình quang hợp, quá trình quang điện v.v… có phụ thuộc vào chiều dài sóng nên sự phân bố quang phổ lại trở nên rất quan trọng, vì vậy không thể coi Mặt Trời là một vật đen

Các phản ứng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion) chuyển hóa Hydro thành

Heli Cứ mỗi giây có khoảng 8,9×1037 prôton (hạt nhân hiđrô) được chuyển hóa thành hạt nhân Heli Nó giải phóng năng lượng theo tỷ lệ chuyển hóa khối lượng-năng lượng của 4,26 triệu tấn trên giây hay 383 yota watt (9,15×1016 tấn TNT trên giây) thoát ra khỏi bề mặt của Mặt Trời trong dạng các bức xạ điện từ trường và nơtrino (và trong quy mô nhỏ hơn như là động năng và nhiệt năng của plasma gió mặt trời cũng như năng lượng trong từ trường của Mặt Trời)

Do nhiệt độ và áp suất bên trong Mặt Trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hoá và chuyển dộng với năng lượng rất lớn Chúng va

chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Người ta đã xác định được các nguồn năng lượng của Mặt Trời chủ yếu do hai loại phản ứng

hạt nhân gây ra Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C-N) và phản ứng hạt nhân Proton-Proton

a Quá trình ph ản ứng tuần hoàn C-N:

Quá trình có thể được mô tả như sau

6

C Điều đó có nghĩa là phản ứng hạt nhân C-N có tính tuần hoàn Trong quá trình phản ứng, một lượng H2 bị tiêu hao và chuyển thành năng lượng

b Ph ản ứng tuần hoàn Proton-Proton có thể được viết như sau:

1 1

4 2

3 2

3 1

3 2

1 1

2 1

1 1

1 1

2H

He He

He

D H

D

h e

C H

H

+

→+

+

→+

+++

He ,He23và He24là các đồng vị của hạt nhân Heli

Cả hai loại phản ứng nói trên đầu có kết quả chung là phản ứng kết hợp 4

hạt nhân nguyên tử Hydro để tạo ra hạt nhân nguyên tử Heli Ta biết khối lượng của hạt nhân Hydro hay proton và He là:

mp= 1,672.10-24g

mα = 6,644.10-24g

Từ đó chúng ta tính được độ hụt khối m∆ của phản ứng kết quả sẽ là: ∆m=(4.m p −mα)=0,044.10−24 (1.1)

Hay bằng 0,7% tổng khối lượng của 4 proton Từ biểu thức của Anhxtanh

E = ∆mc2 Ta tính được năng lượng được giải phóng ra khi 1g hạt nhân tạo ra phản ứng sẽ là 9.1013J Như vậy khi có 1g proton tham gia phản ứng hạt nhân thì bị tiêu hao mất 0,7%g và phát ra một năng lượng là: 9.1013.0,7% = 6,3.1011J

Như trên đã cho thấy, mỗi giây Mặt Trời bức xạ một năng lượng là 3,8.1026J Như vậy trong mỗi giây lượng nhiên liệu Hydro tham gia phản ứng

là 3,8.1026/6,3.1011 = 6,03.108 tấn Tổn thất thực tế là 6,03.108 x 0,7% = 4,22.106 tấn/giây

Như đã nói ở trên, khối lượng của Mặt Trời xấp xỉ bằng 2.1027 tấn Như vậy để Mặt Trời chuyển hoá hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm Từ đó chúng ta có thể thấy rằng nguồn năng lượng Mặt Trời là khổng lồ và lâu dài

I.2 Chuyển động tương đối của hệ Mặt Trời – Trái Đất

Trái Đất là một quả cầu quay xung quanh Mặt Trời theo một quỹ đạo hình Elip gần tròn (còn được gọi là Hoàng Đạo) có bán kính trung bình là R = 1,495.1011m Một chu kỳ quay của Trái Đất xung quanh Mặt Trời hết 365 lẻ

¼ ngày (còn được gọi là một năm) Ngoài chuyển động quay xung quanh Mặt Trời, Trái Đất còn tự quay xung quanh trục quay riêng của nó Trục quay này

là một đường thẳng đi qua hai cực của Trái Đất và hợp với phương pháp tuyến của mặt phẳng Hoàng Đạo một góc là δ = 23045 Một chu kỳ quay của Trái Đất xung quanh trục riêng của nó hết 24h (hay một ngày đêm) Mặt phẳng vuông góc với trục của Trái Đất và cắt Trái Đất một tiết diện lớn nhất gọi là mặt phẳng xích đạo, còn đường tròn lớn nhất là giao tuyến giữa mặt phẳng xích đạo và mặt cầu Trái Đất gọi là đường xích đạo Sự định hướng của trục Trái Đất cùng với sự chuyển động của nó xung quanh Mặt Trời và xung quanh trục quay riêng của nó dẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất

và Mặt Trời, cũng tức là thay đổi cường độ bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Trái Đất hàng ngày, hàng tháng và hàng mùa trong năm

Trong một chu kỳ quay của Trái Đất xung quanh Mặt Trời có 4 vị trí tương ứng với 4 ngày đặc biệt trong năm đó là Xuân phân (ngày 21 tháng 03);

Hạ chí (ngày 21 tháng 06); Thu phân (ngày 21 tháng 09); Đông chí (ngày 21 tháng 12) Đối với ngày Hạ chí thì các tháng ở xung quanh ngày này, các vị trí ở Bắc Bán Cầu, tia Mặt Trời chiêú trực diện hơn và khoảng cách đến Mặt Trời ngắn hơn Do đó Bắc Bán Cầu nhận được nhiều bức xạ hơn có nghĩa là

ngày sẽ dài thêm và đêm sẽ ngắn đi Và ngược lại trong các tháng đó phần Nam Bán Cầu, khoảng cách đến Mặt Trời dài hơn nên nhận được bức xạ Mặt Trời ít hơn, và thời gian này là mùa đông đối với Nam Bán Cầu Ở vị trí các tháng ở hai bên điểm Đông chí tình hình lại hoàn toàn ngược lại, lúc đó Bắc Bán Cầu là mùa đông thì Nam Bán Cầu là mùa hạ

Ở hai vị trí trung gian khác của Trái Đất là vị trí vào ngày Xuân phân và ngày Thu phân thì tia bức xạ chiếu thẳng trên đường xích đạo nên cả hai phần quả cầu Bắc và Nam Bán Cầu cách đều Mặt Trời Ở mọi địa phương trên mặt đất có 12h ban ngày và 12h ban đêm Tuy nhiên tại các điểm nằm trên các cực thì các tia bức xạ cũng yếu hơn các điểm nằm ngay trên đường xích đạo

Góc hợp bởi các tia bức xạ Mặt Trời nằm trong mặt phẳng Hoàng Đạo tạo với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất gọi là góc lệch δ Ở ngày Hạ chí, góc

δ này bằng +23045; Ở ngày Đông chí δ bằng -23045 Để tính góc lệch δ ở các ngày bất ký trong năm ta có thể dùng phương trình Cooper:

360

365

284 sin 45 ,

21-06

H ạ chí

21-09 Thu phân

21-12

Đông chí

M ặt Trời

Qu ỹ đạo TĐ 23,50

Hình 1.2 Sự chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời

I.3 Lớp khí quyển Trái Đất và ảnh hưởng của nó tới Năng lượng Mặt Trời trên bề mặt Trái Đất

I.3.1 Khí quyển Trái Đất

Là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất Nó gồm có nitơ (78.1% theo thể tích) và ôxy (20.9%), với một lượng nhỏ acgon (0.9%), cacbon điôxít (dao động, khoảng 0.035%), hơi nước và một số chất khí khác 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 không có ranh giới rõ ràng với khoảng không vũ trụ nhưng mật độ không khí của bầu khí quyển giảm dần theo độ cao Ba phần tư khối lượng khí quyển nằm trong khoảng 11 km đầu tiên của bề mặt hành tinh

Độ cao 120 km (75 dặm hay 400.000 ft) được coi là ranh giới do ở đó các hiệu ứng khí quyển có thể nhận thấy được khi quay trở lại Đường Cacman, tại độ cao 100 km (62 dặm), cũng được sử dụng như là ranh giới giữa khí quyển Trái Đất và khoảng không vũ trụ

Nhiệt độ khí quyển Trái Đất dao động theo độ cao, trung bình tại bề mặt Trái Đất là khoảng 14°C; mối quan hệ toán học giữa nhiệt độ và độ cao dao động giữa các tầng khác nhau của khí quyển:

+ Tầng đối lưu: từ bề mặt trái đất tới độ cao 7-17 km, phụ thuộc theo vĩ

độ (ở 2 vùng cực là 7-10km) và các yếu tố thời tiết, nhiệt độ giảm dần theo độ cao đạt đến -50°C Không khí trong tầng đối lưu chuyển động theo chiều

thẳng đứng và nằm ngang rất mạnh làm cho nước thay đổi cả 3 trạng thái, gây

ra hàng loạt quá trình thay đổi vật lý Những hiện tượng mưa, mưa đá, gió, tuyết, sương giá, sương mù, đều diễn ra ở tầng đối lưu

+ Tầng bình lưu: từ độ cao trên tầng đối lưu đến khoảng 50 km, nhiệt

độ tăng theo độ cao đạt đến 0°C Ở đây không khí loãng, nước và bụi rất ít, không khí chuyển động theo chiều ngang là chính, rất ổn định, do đó rất thích hợp cho máy bay bay

+ Tầng trung lưu: từ khoảng 50 km đến 80-85 km, nhiệt độ giảm theo

độ cao đạt đến -75°C Phần đỉnh tầng có một ít hơi nước, thỉnh thảng có một vài vệt mây bạc gọi là mây dạ quang

+ Tầng nhiệt: từ 80–85 km đến khoảng 640 km, nhiệt độ tăng theo độ cao có thể lên đến 2.000°C hoặc hơn Oxy và nitơ ở tầng này ở trạng thái ion,

vì thế gọi là tầng điện ly Sóng vô tuyến phát ra từ một nơi nào đó trên vùng

bề mặt Trái đất phải qua sự phản xạ của tầng điện ly mới truyền đến các nơi trên thế giới

+ Tầng ngoài: từ 500–1.000 km đến 10.000 km, nhiệt độ tăng theo độ cao có thể lên đến 2.500°C Đây là vùng quá độ giữa khí quyển Trái đất với khoảng không vũ trụ Vì không khí ở đây rất loãng, nhiệt độ lại rất cao, một

số phân tử và nguyên tử chuyển động với tốc độ cao cố "vùng vẫy" thoát ra khỏi sự trói buộc của sức hút Trái đất lao ra khoảng không vũ trụ Do đó tầng này còn gọi là tầng thoát ly

Ranh giới giữa các tầng được gọi là ranh giới đối lưu hay đỉnh tầng đối lưu, ranh giới bình lưu hay đỉnh tầng bình lưu và ranh giới trung lưu hay đỉnh tầng trung lưu v.v

I.3.2 Bức xạ Mặt Trời bên ngoài khí quyển

Cường độ bức xạ Mặt Trời đo được ở bên ngoài lớp khí quyển bao quanh Trái Đất trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ là Hằng số Mặt Trời ISCnó có giá trị xấp xỉ 1353 W/m2 Và nó cũng nó nghĩa là năng lượng của toàn bộ phổ bức xạ Mặt Trời, năng lượng bức xạ lại phụ thuộc vào tần số (hay bước sóng) của bức xạ Vì Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời trên một quỹ đạo hình elip với độ lệch tâm rất nhỏ và Mặt Trời ở tiêu điểm nên mật độ năng lượng Mặt Trời bên ngoài khí quyển Trái Đất cũng bị thay đổi một lượng nhỏ Giá trị mật độ năng lượng Mặt Trời ở một ngày bất ký nào đó có thể tính theo công thức:

Dλ được xác định theo công thức sau:

d e

d e D

λ λ

λ

λ λ λ

λ λ

λ

(1.4)

I.3.3 Sự suy giảm cường độ bức xạ khi qua lớp khí quyển

Khi phân tích các số liệu bức xạ phát ra từ bề mặt Mặt Trời ở bên ngoài lớp khí quyển trong nhiều năm người ta thấy cường độ bức xạ Mặt Trời thay đổi rất ít (khoảng 1%) Vì vậy khi xét trong quá trình nhiệt dùng cho mục đích năng lượng thì sự thay đổi này có thể bỏ qua Tuy nhiên, khi bức xạ Mặt Trời

xuyên qua lớp khí quyển thì cường độ của chúng bị suy giảm đáng kể do nhiều nguyên nhân như bị hấp thụ bởi hơi nước hay bị tán xạ do gặp các phân

tử khí O2, O3, CO2, NOx, các hạt bụi lơ lửng trong không khí hay các phần tử khác, hoặc khi xuyên qua các đám mây… Ví dụ như các tia cực tím và tia X

bị hấp thụ bởi các phân tử Ozone O3, còn các tia hồng ngoại có bước sóng > 2,5μm thì bị các phân tử nước H2O và khí CO2 hấp thụ hầu như hoàn toàn Theo như tính toán lý thuyết thì người ta thấy rằng nếu các phần tử lơ lửng có kích thước rất nhỏ so với bước sóng ánh sáng thì khi tia bức xạ xuyên qua lớp khí quyển có cường độ bức xạ giảm theo tỷ lệ λ-4, trong đó λ là bước sóng bức

λ α

τ (1.5)

Trong đó λ(μm), tỷ khối khí (là tỷ số giữa quãng đường đi xuyên qua lớp khí quyển từ một điểm bất kỳ trên mặt đất nhìn thấy Mặt Trời với quãng đường cũng xuyên qua lớp khí quyển nhưng theo phương xuyên tâm Trái Đất) bằng 1 tức là coi lúc bức xạ chiếu tới mặt đất là trực xạ tới đỉnh đầu, và

áp suất khí quyển p = 760mmHg Nếu các phần tử lơ lửng có kích thước lớn hơn nhiều so với kích thước phân tử khí thì hệ số truyền qua là một hàm khá phức tạp, hàm này phụ thuộc vào kích thước của các phân tử khí và nồng độ của chúg tuỳ thuộc vào vị trí địa lý, độ cao và thời gian

Công thức Moon tính hệ số truyền qua của lớp khí quyển:

75 , 0

00353 , 0

xạ là hơi nước đọng sương, tương đương với lớp dày 20mm, khi Mặt Trời ở đỉnh đầu thì được tính bằng công thức

2

0075 , 0

P

, 800 , 760 , )

Bước sóng λ(μm) 0,29 0,30 0,31 0,33 0,35

Hệ số truyền qua τλ( S) 0 0,10 0,50 0,90 1,00 Khi λ > 2,3μm thì hệ số truyền qua lớp khí quyển là rất nhỏ (do bị các phân tử nước H2O và CO2 hấp thụ) nên năng lượng của bức xạ hồng ngoại khi đến mặt đất chỉ còn khoảng 5% so với vùng ngoài lớp khí quyển

Bảng I.3 Bảng hệ số truyền qua theo các bước sóng

Hệ số truyền qua của bức xạ tán xạ khi xuyênqua lớp khí quyển bao gồm tất cả những yếu tố trên và có tính đến khả năng hấp thụ được mô tả bằng biểu thức

góc với phương truyền của sóng điện từ Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng λ

Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.108m/s Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và

bằng v = c/n, trong đó n được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường, với n≥1 Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10-

7nm đến hàng nghìn km Hình 5 trình bày thang sóng điện từ của bức xạ mặt

trời

`

Ánh sáng nhìn thấy có bước 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 nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng λ khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học, hoá học và sinh học rất khác nhau Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây ra cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng Khi đi từ bước sóng dài λ = 0,8μm đến giới hạn sóng ngắn λ = 0,4μm ta nhận thấy màu sắc của ánh sáng thay đổi liên tục

từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Mắt người nhạy nhất đối với ánh sáng màu vàng có bước sóng λ = 0,58μm Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau Bảng 3 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của nó, còn bảng 3 là quan

hệ giữa màu sắc của ánh sáng và bước sóng của nó Từ bảng 3 chúng ta thấy

Tia nhìn

th ấy

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 1010 1012 1014

Hình 1.4 Thang sóng điện từ của Bức xạ mặt trời

rằng mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong giải bước sóng

từ λ = 0,2μm đến λ = 3,0μm, còn ngoài vùng đó mật độ năng lượng không đáng kể

Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các

phần tử khí, các hạt bụi…hấp thụ hoặc bị làm tán xạ nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến bề mặt quả đất bị thay đổi rất đáng kể

Quang phổ Bước sóng Mật độ năng lượng (W/m 2 )

Tỷ lệ (%)

6,978.10-56,978.10-77,864.106 2,122.101 8,073.101

0,57 1,55 5,90 Tia nhìn thấy 0,40 ÷ 0,52μm

0,52 ÷ 0,62μm 0,62 ÷ 0,78μm

2,240.102 1,827.102 2,280.102

16,39 13,36 16,68 Tia hồng ngoại 0,78 ÷ 1,40μm

1,40 ÷ 3,00μm 3,00 ÷ 100,00μm

4,125.102 1,836.102 2,637.101

30,18 13,43 1,93 Sóng vô tuyến điện 0,10 ÷ 10,0cm

10,0 ÷ 100,00cm 1,0 ÷ 20,0m

6,978.10-9 6,978.10-10 6,978.10-9

Bảng 1 4 Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

I.4.2 Cường độ bức xạ Mặt Trời biến đổi theo thời gian

Trước hết chúng ta sẽ định nghĩa các góc có liên quan đến toạ độ của địa điểm trên Mặt Đất và vị trí của Mặt Trời tại thời điểm đang xét

- Góc giờ ω là góc xác định vị trí Mặt trời trên bầu trời ở thời điểm quan sát Nó là số đo góc của thời gian và tương đương 150 trong 1giờ Nó cũng biến đổi từ -1800 đến +1800 Người ta quy ước việc đo góc ω từ giữa

Hướng mặt ngang

Tia tr ực xạ

Pháp tuy ến mặt nghiêng N’ N Pháp tuy ến

mặt ngang

A SZ

A Z

Hình 1.5 Các góc xác định tia mặt trời tới trên mặt ngang và nghiêng

B ảng 1.5 Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời

trưa, tức là tại 12 giờ trưa góc giờ ω = 0, dựa trên thời gian thực địa phương

Nó có giá trị dương (+) vào buổi sáng và có giá trị (-) vào buổi chiều

- Mặt Trời mọc, lặn và độ dài ngày: Góc giờ tương ứng với thời điểm Mặt Trời mọc hoặc lặn ωS trên mặt nằm ngang có thể tính từ phương trình quan hệ giữa các góc ứng

ωδϕδ

cos cosωz = −tgϕtgδ →ωS = −1 −tgϕtgδ

Tuỳ vào dấu của ωS mà ta có giá trị góc giờ lúc Mặt Trời mọc (dấu +), hay lặn (dấu -) Vì góc giờ150 tương đương với thời gian 1giờ nên độ dài ngày tính ra giờ sẽ là:

) (

cos ) 15 / 2 ( cos ωz = −1 −tgϕtgδ

Góc giờ lúc Mặt Trời mọc hoặc lặn do người quan sát ở trên mặt nghiêng hướng Nam cũng sẽ được cho bởi công thức trên, nếu ngày quan sát

ở trong khoảng 22/09 và 21/03 và địa phương quan sát ở Bắc Bán Cầu Sở dĩ như vậy là vì trong khoảng thời gian này góc lệch δ là âm và mặt phẳng chuyển động của Mặt Trời cắt mặt nằm ngang theo một đường Đông Tây nằm phía Nam của đường Đông Tây đi qua người quan sát trên mặt nghiêng Tuy nhiên, nếu ngày quan sát nằm trong khoảng 21/03 và 22/09 thì góc giờ lúc Mặt Trời mọc hoặc lặn sẽ nhỏ hơn về giá tri so với giá trị cho trong phương trình trên và sẽ thu được bằng cách thay θ = 900 vào phương trình theo hướng Nam ωz = cos −1( −tg( ϕ − β )tgδ )

Như vậy, giá trị của ωst đối với một mặt nghiêng hướng Nam ở Bắc Bán Cầu là nhỏ hơn giá trị được cho theo phương trình trên

- Thời gian địa phương: Để tính thời gian cho phù hợp với vị trí của Mặt Trời trên bầu trời, mỗi khu vực địa phương khác nhau trên mặt đất có một giờ hay thời gian riêng

Thời gian dùng để tính góc giờ ω là thời gian địa phương Nó có thể thu được từ thời gian chuẩn trên đồng hồ bằng cách thực hiện hai hiệu chỉnh Hiệu chỉnh thứ nhất là do sự khác nhau giữa kinh tuyến của địa phương và kinh tuyến xác định giờ chuẩn Giá trị hiệu chỉnh là 4 phút đối với mỗi một kinh độ khác nhau một độ Sự hiệu chỉnh thứ hai được gọi là sự hiệu chỉnh cân bằng thời gian là do sự kiện rằng quỹ đạo của Trái Đất và tốc độ quay có những thăng giáng nhỏ Sự hiệu chỉnh này dựa trên các kinh nghiệm quan sát được trong nhiều năm như đã trình bày ở phần trên

Tóm lại thời gian địa phương được xác định theo giờ chuẩn và các hiệu chỉnh khác theo quy tắc sau:

Thời gian địa phương = thời gian chuẩn ± 4 x (kinh độ thời gian chuẩn – kinh độ của địa phương) + hiệu chỉnh cân bằng thời gian

Qua các góc kể trên, chúng ta cũng có thể biết được thời điểm và vị trí

có cường độ bức xạ Mặt Trời cao Đối với một chu kỳ quay của Trái Đất xung quanh Mặt Trời, chúng ta nhận thấy vào thời điểm khi Trái Đất gần Mặt Trời nhất tương ứng với ngày Hạ chí và những thời điểm lân cận thì cường độ bức

xạ Mặt Trời sẽ đạt cường độ cao nhất Còn đối từng ngày thì thời điểm chúng

ta có thể đón nhận được năng lượng bức xạ lớn nhất là thời điểm 12h trưa

I.4.3 Cường độ bức xạ Mặt Trời theo không gian:

Chúng ta biết rằng trong sự chuyển động tương đối của hệ Mặt Trời và Trái Đất thì quỹ đạo quay của Trái Đất xung quanh Mặt Trời là một quỹ đạo hình elip gần tròn và thời gian để thực hiện một chu kỳ quay là 365 lẻ ¼ ngày

Ứng với mỗi một vị trí của Trái Đất trên quỹ đạo quay, nó sẽ nhận được bức

xạ Mặt Trời khác nhau Để có thể đi sâu hơn chúng ta sẽ định nghĩa một vài góc tương đối giữa Mặt Trời và Trái Đất

- Góc vĩ tuyến (vĩ độ) φ của một địa phương nào đó là góc tạo bởi bán kính của Trái Đất đi qua địa phương đó và hình chiếu của nó trên mặt phẳng xích đạo của Trái Đất Vĩ độ của các địa phương trên mặt đất biến thiên từ 0 đến +900 (điểm Cực Bắc) hay -900 (điểm Cực Nam)

- Góc lệch δ là góc giữa đường nối các tâm Mặt Trời và trái Đất và hình chiếu của nó trên mặt phẳng xích đạo Nó xuất hiện do Trái Đất quay xung quanh một trục riêng của nó, trục Bắc – Nam tạo với pháp tuyến của mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời một góc 23,450 Góc lệch δ sẽ có giá trị +23,450 vào ngày Hạ Chí 21/06 và -23,450 vào ngày Đông Chí 21/12 Góc lệch δ ở một ngày bất kỳ có thể xác định được theo công thức Cooper (1.2)

Như vậy chúng ta thấy rằng, ứng với từng thời điểm với các vị trí khác nhau ở trên Trái Đất chúng ta có thể xác định được các góc và hướng của tia bức xạ Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất để qua đó tính toán được lượng năng lượng hay cường độ bức xạ chiếu xuống một vị trí nào đó tại mặt đất Với vị

trí tương đối của Trái Đất và Mặt Trời như vậy thì trong một chu kỳ quay của Trái Đất quanh Mặt Trời thì vào thời điểm Trái Đất gần Mặt Trời nhất tức là ngày Hạ chí thì cường độ bức xạ chiếu xuống là lớn nhất Ngoài ra trên mặt đất thì vị trí gần Mặt Trời nhất cũng đồng nghĩa với việc sẽ nhận được bức xạ lớn nhất là những khu vực xích đạo và gần xích đạo Do đó để ứng dụng năng lượng Mặt Trời chúng ta cần chú ý tới các vị trí (vĩ độ) trên mặt đất để có thể

có được cường độ bức xạ cao nhất và đạt hiệu quả tốt nhất

I.5 Bức xạ Mặt Trời tới bộ thu đặt trên Mặt Đất

Đối với bộ thu đặt trên Mặt Đất, thì tuỳ từng vị trí và thời gian ở từng địa phương trên Mặt Đất mà người ta sẽ có cách bố trí để đặt bộ thu sao cho đạt hiệu quả cao nhất Tuy nhiên đa số các bộ thu năng lượng Mặt Trời được đặt nghiêng một góc S nào đó so với mặt phẳng nằm ngang Vì vậy cần thiết phải tính toán dòng năng lượng tới trên mặt phẳng nằm nghiêng từ các số liệu thu được trên mặt nằm ngang

Nếu gọi θ là góc giữa tia tới có cường độ Hbn và pháp tuyến của bề mặt quan sát (góc tới), thì thành phần tới của tia vuông góc với bề mặt sẽ là

Hbn.cosθ Góc tới θ phụ thuộc vào nhiều thông số khác như vĩ độ φ của địa phương quan sát, góc lệch δ giữa tia Mặt Trời và mặt phẳng xích đạo, góc Azimuth γ của mặt quan sát, góc giờ của Mặt trời ω và góc nghiêng S của mặt quan sát so với mặt nằm ngang

Góc Azimuth γ là góc nằm trong mặt phẳng nằm ngang giữa hướng Nam

và hình chiếu của pháp tuyến của mặt quan sát trên mặt nằm ngang Góc γ có thể biến đổi từ -1800 đến +1800 Góc γ nhận giá trị (+) nếu hình chiếu pháp tuyến của mặt quan sát nằm ở bên phải hướng Nam và nhận giá trị (-) nếu hình chiếu pháp tuyến trên mặt nằm ngang nằm ở bên trái hướng Nam

Góc nghiêng S là góc giữa mặt quan sát và mặt phẳng ngang Nó cũng biến đổi từ 0 đến 1800 Ta thấy rằng góc tới θ phụ thuộc vào các góc nói trên theo quan hệ sau

S S

S

S S

sinsinsincos)sincossincos

cos(coscos

)sincoscoscoscos

(sinsincos

ωγδγ

δω

δϕ

ωγδδ

ϕθ

+

−+

δϕω

γδϕ

θ sin cos cos cos cos sin cos cos sin sin

+ Với mặt nằm ngang, S = 0, chúng ta có

cosθ =sinϕsinδ +cosϕcosδ cosω (1.12) Trong trường hợp θ = 0 thì từ các biểu thức trên người ta có thể xác định được góc Zenith phụ thuộc vào thời gian và vị trí trên mặt đất

+ Khi mặt quan sát hướng chính Nam thì γ =0 và chúng ta sẽ có

S S

S

S S

sinsinsincos)sincossincos

cos(coscos

)sincoscoscoscos

(sinsincos

ωγδγ

δω

δϕ

ωγδδ

ϕθ

+

−+

+

=

(1.13)

- Năng lượng tia bức xạ trực xạ:

Tỷ số của dòng năng lượng trực xạ tới trên mặt nghiêng và dòng năng lượng trực xạ tới trên mặt ngang được gọi là “Hệ số nghiêng” đối với tia trực

xạ, được ký hiệu bằng rb

+ Đối với trường hợp mặt nghiêng theo hướng Nam (γ = 0):

cosθ =sinδsin(ϕ −S)+cosδ cosωcos(ϕ −S) (1.14) + Đối với mặt phẳng năm ngang (S = 0), hướng Nam, θ = 0

cosθ =sinδsinϕ+cosδ cosωcosϕ (1.15)

Do đó ta được:

ωδ

ϕδ

ϕ

ϕ

δθ

θ

coscoscossin

sin

sinsincos

- Năng lượng tia bức xạ nhiễu xạ:

Hệ số nghiêng rd đối với các bức xạ nhiễu xạ là tỷ số của dòng năng lượng nhiễu xạ tới trên mặt nghiêng và tới trên mặt ngang Giá trị rd này phụ thuộc vào sự phân bố bức xạ nhiễu xạ trên bầu trời và trên phần bầu trời mà mặt nghiêng thu bức xạ Nếu giả thiết bức xạ nhiễu xạ là đẳng hướng, ta có thừa số nghiêng rdxác định bằng công thức

r d (1 cosS)

2

1 +

= (1.17)

Trong đó S là góc nghiêng của mặt nghiêng đối với mặt ngang

- Năng lượng tia bức xạ phản xạ:

Bức xạ phản xạ là thành phần bức xạ tới mặt quan sát do phản xạ từ mặt nền xung quanh mặt quan sát Giả thiết bức xạ phản xạ cũng đẳng hướng đối với mọi điểm xung quanh mặt quan sát và hệ số phản xạ bằng ρ, thì hệ số nghiêng đối với bức xạ phản xạ sẽ là

- Năng lượng Mặt Trời tới trên mặt nghiêng:

Ta gọi H là tổng các thành phần bức xạ tới trên mặt nghiêng thì

H = H b0r b +H d0r d +(H b0 +H d0)r a (1.19)

Trong đó: Hb0, Hd0 là các mật độ dòng năng lượng Mặt Trời ứng với các thành phần trực xạ và nhiễu xạ đo được trên mặt nằm ngang

Gọi Hg là tổng xạ trên mặt ngang, Hg = Hb0 + Hd0, từ biểu thức trên ta có:

d a

g

d b g

d

g

r r H

H r H

H H

Khi ứng dụng phương trình tính H chúng ta cần phải biết hệ số phản xạ

ρ mà trong nhiều trường hợp là không đo được Vì vậy người ta thường thừa nhận giá trị ρ = 0,27 để tính toán May mắn là thành phần phản xạ chiếm tỷ lệ khá nhỏ trong tổng H, nên sai số không đáng kể

CHƯƠNG II PIN MẶT TRỜI II.1 Hiệu ứng quang - điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn p-n

II.1.1 Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng lượng

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E1 < E2

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng – photon – có năng lượng hυ (h là hằng số Planck, υ là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng

E2 Phương trình cân bằng năng lượng có dạng

hυ = E2 −E1 (2.1)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bờ trên của nó có năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ dưới của vùng có năng lượng

là EC Cách ly giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn là một vùng cấm có độ rộng năng lượng Eg , trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hυ tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể

E g

Hình 2.1 Các quá trình lượng tử trong hệ hai mức và hai vùng năng

l

chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hoá trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương nguyên tố, ký hiệu h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình sau:

e v +hυ ⇒e− +h+ (2.2)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển

từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hυ = hc/λ ≥ Eg =

EC – Ev Từ đó có thể tính được bước sóng giới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo cặp e- - h+ là:

g g

v C

C

E E

hc E

Như vậy khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hυ và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống

e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

II.1.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Từ các trình bày trên chúng ta có thể xác định được giới hạn lý thuyết của hiệu suất η biến đổi năng lượng quang điện của hệ thống hai mức:

( ) ( )

∫

∫

∞

=0 0

0 0

λ λ λ

λ

λ η

λ

d

hc J

d J E

C

g

(2.4)

Trong đó: J0(λ) là mật độ photon có bước sóng λ

J0(λ)dλ là tổng số photon tới có bước sóng Є (λ ÷ λ + dλ)

hc/λ là năng lượng của photon

Tử số của phương trình trên là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện, còn mẫu số là tổng năng lượng của các photon tới hệ Như vậy, η là một hàm số của Egvì λCcũng là hàm số của Eg

Như vậy, qua đồ thị trên chúng ta thấy hiệu suất biến đổi quang điện đạt giá trị cực đại ηmax = 0,44 xung quanh giá trị Eg = 1,5eV Kết quả này có tính tổng quát và áp dụng cho các hệ hai mức bất kỳ

Năng lượng tổn hao trong một quá trình biến đổi quang điện chủ yếu do

2 nguyên nhân sau:

Hình 2.2 Hiệu suất biến đổi quang

điện phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm

hυ (eV) N(hυ)

Hình 2.3 Năng lượng tổn hao và hiệu suất biến đổi quang điện của Si

+ Các photon có năng lượng hυ < Eg hay λ > λC không bị điện tử hấp thụ để tạo cặp e--h+ mà truyền qua vật rắn

+ Do quá trình hồi phục, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lượng ΔE

= hυ –Egcho mạng tinh thể vật rắn để tới đáy các vùng năng lượng

Đối với bán dẫn Si, Eg= 1,16 eV, tính toán cho thấy 23% mất mát năng lượng do photon truyền qua: 33% bị mất do quá trình hồi phục của e- và h+ tới các bờ vùng EC và Ev như đã chỉ ra trên hình Như vậy đối với quá trình quang điện trên vật liệu Si thì η ≤ 0,44

II.1.3 Đường đặc trưng VA sáng, sự tạo dòng quang điện

Chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n Dưới tác dụng của ánh sáng, các cặp điện

tử - lỗ trống được tạo thành và do tác dụng của điện trường tiếp xúc Etx nên các cặp bị tách ra và bị gia tốc về các phía đối diện, tạo ra một suất điện động quang điện Nếu nối các đầu bán dẫn loại p và n bằng một dây dẫn thì trong dây sẽ có một dòng điện gọi là dòng quang điện và có thể cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích Suất điện động quang điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc p-n khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào bản chất các bán dẫn, vào nhiệt độ lớp tiếp xúc và vào bước sóng và cường độ ánh sáng tới

Hiện tượng xuất hiện suất điện động quang điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn p-n khi chiếu sáng được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong Cần chú ý rằng chỉ có các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc cách

bờ miền tiếp xúc một khoảng LD được gọi là độ dài khuyếch tán trung bình của cặp e- - h+ thì mới bị điện trường tiếp xúc tách ra và tạo ra dòng quang điện LD là hàm của hai tham số: độ linh động của hạt điện μ (tốc độ chuyển động/ một đơn bị điện trường) và thời gian sống trung bình τ của cặp trước khi bị tái hợp

p p p

p Dp

n n n

n Dn

n p D

D q

kT L

D q

kT L

L L f L

τ τ

µ

τ τ

Như vậy dòng quang điện Iph tỷ lệ với tổng số photon bị hấp thụ và có

thể được biểu diễn bởi công thức sau:

I ph =qK ∫C J d

λ

λ λ

0

0( ) (2.6)

Trong đó K là một hệ số và được gọi là hiệu suất góp của lớp tiếp xúc,

nó có giá trị cực đại bằng 1 Cũng có thể viết như sau:

I ph =qKN ph Với N ph = ∫C J d

λ

λ λ

0

0( ) (2.7)

Ở đây Nph là số các cặp e- - h+ được tạo ra trong giới hạn bước sóng λC

Khi cho K = 1, Nph là hàm số của Eg thông qua λC và được biểu diễn trong

Nghiên cứu đường đặc trưng VA của lớp tiếp xúc p-n được chiếu sáng Dưới tác dụng của một chùm sáng có cường độ không đổi, trong mạch xuất hiện một dòng quang điện, nó là dòng chuyển động của các hạt dẫn không cơ bản, luôn luôn có chiều qua lớp tiếp xúc từ n sang p và có giá trị Iph Dòng tổng cộng qua lớp tiếp xúc p-n khi đặt một nguồn thế ngoài V có thể biểu diễn bởi tổng đại số của hai dòng, dòng quang điện Iph và dòng qua Diot Id như sau:

= − = − Sexp −1

kT

qV I

I I I

I ph d ph (2.8)

Đường đặc trưng I = f(V) theo công thức trên gọi là đường đặc trưng

VA sáng của tiếp xúc bán dẫn p-n Từ đó có thể thấy là đường đặc trưng sáng

VA của lớp tiếp xúc p-n có thể suy ra từ đường đặc trưng VA tối của nó bằng cách tĩnh biến theo trục OI trên hệ toạ độ OIV một giá trị bằng dòng Iph Như vậy một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n khi được chiếu sáng có thể trở thành một

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của số cặp e - - h + được tạo ra khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n vào độ rộng vùng cấm của vật liệu

máy phát điện, cho công suất điện mạch ngoài hữu ích Thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện bên trong trên lớp bán dẫn p-n để biến đổi trực tiếp năng lượng của ánh sáng mặt trời thành điện năng được gọi là Pin quang điện hay Pin mặt trời

II.1.4 Tính chỉnh lưu của lớp tiếp xúc bán dẫn

Ta xét tính chất của lớp tiếp xúc khi chưa được chiếu sáng

` Đặt một nguồn thế ngoài vào một lớp tiếp xúc p-n và nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng điện qua lớp tiếp xúc vào hiệu điện thế đặt vào nó:

V

+ + - -

A

R

E Ánh sáng

Hình 2.6 Các mạch điện đo đặc trưng VA của tiếp xúc bán dẫn p-n

Phân cực

ng ược

Hình 2.7 Đặc trưng sáng & tối của tiếp xúc bán dẫn p-n

Trước hết xét trường hợp nguồn thế ngoài phân cực ngược lớp tiếp xúc p-n, cực dương của nguồn ngoài đặt vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p như hình đầu tiên trên Khi đó, điện trường ngoài E0 và điện trường tiếp xúc Etxcùng chiều Điện trường tổng hợp E = Etx + E0trên miền tiếp xúc rất lớn, hàng rào thế năng ở lớp tiếp xúc bị nâng cao lên do vậy nó càng ngăn không cho dòng các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc Ở trạng thái này, mặc dù dòng các hạt tải không cơ bản được gia tốc mạnh, nhưng do mật độ nhỏ nên dòng các hạt không cơ bản nhanh chóng đạt tới bão hoà có giá trị rất nhỏ IS

Đổi phân cực nguồn ngoài, tức là phân cực thuận lớp tiếp xúc p-n (cực dương của nguồn thế ngoài vào bán dẫn p, cực âm vào bán dẫn n) Khi đó điện trường ngoài và điện trường lớp tiếp xúc ngược chiều nhau, nên điện trường tổng hợp E = E0 - Etx < Etx Kết quả là hàng rào thế ở miền tiếp xúc giảm hoặc bị khử hoàn toàn, dòng các hạt tải mang điện có mật độ lớn qua lớp tiếp xúc tăng rất nhanh (theo quy luật hàm số mũ)

II.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời

Pin Mặt Trơi (PMT) có cấu tạo gồm hai tấm bán dẫn loại p và loại n được ghép tiếp xúc với nhau Mặt tiếp xúc giữa chúng hình thành lớp chuyển tiếp p-n Vì mật độ electron trong miền có tính dẫn n - gọi tắt là miền n, lớn hơn mật độ electron trong miền có tính dẫn p - gọi tắt là miền p, nên electron

từ miền n khuyếch tán sang miền p Ngược lại, mật độ lỗ trống, tương đương với điện tích dương trong miền p lớn hơn trong miền n, nên các lỗ trống từ miền p khuyếch tán sang miền n Kết quả là miền n thiếu electron thừa lỗ trống nên mang điện tích dương (+) miền p nhận electron và mất lỗ trống nên mang điện tích âm (-)

Như vậy tại vùng biên giới giữa hai loại bán dẫn hình thành một hiệu điện thế - gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Tức là tại lớp chuyển tiếp này hình

thành một điện trường tiếp xúc Etx Điện trường này cản trở sự khuyếch tán của electron và lỗ trống, và dần dần đạt đến giá trị cân bằng Một phiến Silic

đã pha tạp thành loại p và n rồi ghép tiếp xúc như trên được gọi là tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin quang điện Thực chất đó là máy phát điện một chiều Khi chiếu một chùm tia sáng hoặc photon lên một tấm PMT thì hai loại bán dẫn n và p sẽ hấp thụ photon và tạo ra các cặp electron và lỗ trống Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc các electron và lỗ trống bị tách khỏi nhau và hình thành ở miền p một điện tích dương (+) và ở miền n một điện tích âm (-) Nếu nối hai miền p và n bằng một dây dẫn thì các điện tích trái dấu này chuyển dịch ở mạch ngoài và tái hợp khi chúng về phía bán dẫn đối cực Nếu tiếp tục chiếu sáng cho PMT thì quá trình sinh hạt cơ bản và tái hợp xảy ra liên tục và kết quả ở mạch ngoài sẽ nhận được một dòng điện một chiều có cường độ tỷ lệ với cường độ chiếu sáng

Pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là Pin Mặt Trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) Si là một chất bán dẫn điển hình và có hoá trị IV Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị V Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị III Đối với PMT từ vật liệu Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực khoảng 0,55V, còn dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng 25 ÷ 30mA/cm2 Hiện nay người ta cũng đax đưa ra thị trường các loại PMT làm bằng vật liệu

Si vô định hình (a-Si) PMT a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với PMT tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời

Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác

có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất bán dẫn nhóm III-V, Sunfit Cadmi