Luận văn thạc sĩ 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

Phân bê phỗ bức xạ mặt trời theo buéc song Màu sắc và bước sóng của ảnh súng mặt trời Nhu cầu điện năng Cac gid tri cia £,0, a va b của vải vật liga PMT diễn hình Giá trị Hệ số phản

Trang 1

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI IOC BACII KIIOA IIA NOL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HOC

NGHIEN CUU THIET KE, VIET CHUONG TRÌNH

TINH TOAN DANH GIA ANH HUGNG CUA NHIET

BDO VA DINH HUONG CUA DAN PIN MAT TROI

LEN DIEN NANG DO NO PHAT RA TAI MOT SO

DIA PHUONG Ở VIỆT NAM

NGÀNH: VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGUYEN TRUONG MINIT

NGƯỜI HƯỚNG DÂN KHOA HỌC: PGS.TS DANG DINH THONG

TIẢ NỘI 2007

Trang 2

1.1 Cẩu tao cha Mat trot

1.2 Sự chuyển động của Trải Đất xung quanh Mặt Trời,

1.3 Phả bức xạ Mặt Trải

1.4 Thang sóng điện từ của Bức xạ mắt trời

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

1.6 Sự thay đãi của góc lệch của mặt trồi theo thời gian trong năm

2.1 Cúc quá trình lượng tử trong hệ hai mức và hai vùng nẵng

2.2 IHiệu suất biển đỗi quang điện phụ thudc vio dé rộng vùng câm của vật

liệu

2.3 Năng lượng tôn bao và hiệu suất biên đẫi quang điện của Sỉ

2.4 Sự tạo thành đùng quang điện

2.5 Sự phụ thuậc của số cấp £- h` được tạo ra khi chiến sảng lớp tân xúc

ph vào độ rộng vùng cẩm của vật liệu

2.6 Cúc mạch điện đo đặc trưng VA eta tiếp xúc bán dan p-n

2.7 Đặc trung sting & thi của tiếp xúc bản dẫn p-n

2.8 Sơ đã trơng đương (a) và đường đặc trưng sáng (b)của PMT

2.9 Sự phụ thuậc của đặc trưng EA của PMT vàa CĐBX

2.10Sự phụ thuộc của đặc trưng sáng VA của PMT vào nhiệt dộ của PMTT 2.11Sự phụ thuộc của hiện suất PMT vào nhié

3.12Cẫu tạo Pũm mặt trời

3 Sư đề khối tổng quát của bệ nguôn điện mat trời độc lập

4.1 Sơ đã trong Ñương của PMT"

4.2 Sự phụ tiuộc của hiệu suất PMT vào nhiệt độ

4.3 Cưởng độ trực xạ trên mặt phẳng nghiêng

4.4 Xác định góc cao mặt trời đỗi với dan Pin mat trời

4.5 Tim xạ trên mặt nghiêng

4.6 Phần xạ trân mặt nghiêng

5.1 Lưu đỖ thuật toán chương trình

5.1 Giao diện lựa chụn thông vỗ đầu vào

5.3 Giao diện khối tinh toán ảnh hưởng của nhiệt độ

5.4 Giao điện khối tỉnh toán ảnh hướng của định hưởng đàn PMTTT

5.5 Giao dién khỗi tỉnh toán ảnh hưởng của cả nhiệt độ và định hướng

dan PMT

Dai hoe Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Trường Minh

Trang 3

Luận văn tôi nghiệp cao học

Giao diện nhập đũ: hệu đầu vào tỉnh toán cho Tính Dà Nẵng

Giao điện kết quả tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ tới công suất ‘phat

PMT tai Tĩnh Dà Nẵng

Giao điện hết quả tỉnh toán ảnh hưởng của góc nghiêng tới công suất

phat PMT tai Tink Pa Nang

Giao dién kết quả tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ và góc nghiêng tới

công suất phát PMT tại Tính Đã Nẵng

Giao diện kết quả tỉnh toán ảnh hướng của nhiệt độ tới công suất phát PMT tai Tinh Quang Ninh

Giao diện kết quả tính toán ảnh hưởng của góc nghiêng tải công suất Phat PMT tai Tinh Quang Ninh

Giaa diện kết quả tính toán ảnh hướng của nhiệt độ và góc nghiêng tới

công suất phát PMT tại Tĩnh Quảng Ninh

Giao diện kết quả tinh toán ảnh hướng của nhiệt độ và góc nghiêng tới công suất phát PMT tại Tĩnh Quảng Ninh

Giao điện kết qué tinh toán ảnh hưởng của góc nghiêng tới công suất

tửi công sudt phdt PMT tai Hé Chi Minh

DANH MUC BANG BIEU

Cúc thing x6 va thanh phan cha Mat troi

Phin be phé bức xạ Mặt Trời bên ngoài khi quyền

Bảng hệ số truyền qua theo các bước sông

Phân bê phỗ bức xạ mặt trời theo buéc song

Màu sắc và bước sóng của ảnh súng mặt trời

Nhu cầu điện năng

Cac gid tri cia £,(0), a va b của vải vật liga PMT diễn hình

Giá trị Hệ số phản xạ phụ thuộc vào bễ mắt

Đôi học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Trường Minh

Trang 4

Ngày nay, khí mà những nguồn năng lượng truyền thông như than, dầu

khí đang dẫn bị khai thác can kiệt, cùng với việc ô nhiễm môi truờng ngày

càng trở nên nghiêm trọng thì vấn để cung cấp năng lượng cũng như đấm bảo

an ninh năng lượng quốc gia và cải thiện tỉnh hình mỗi trường hiện là một chủ

để 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, chẳng +khai thác lãng phí các nguồn

xiăng lượng Tuy nhiên, cáo giải pháp đó mới chỉ giải quyết được những vẫn

để trước mắt, còn lâu đải bắt buộc chúng ta phải tỉm ra các nguồn năng lượng,

mới và tích cực nghiên cứu nhằm thúc đẩy khai thác và sử dụng năng lượng

tải tạo nhiều hơn nữa

Năng lượng mặt trời là một trong số những nguồn năng lượng tái tạo

hiện đang được quan tâm nhật hiện nay Nó không những là một nguồn năng

lượng có thể khai thác vô lận mà còn là một nguồn năng lượng rất sạch và

thân thiên 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, hãi đảo nơi mà

nguồn điện lưới quốc gia không tới được hoặc nếu có tới được thì chỉ phí

cung cấp điện năng hay cụ thể là pm mặt trời

trở nên rất phổ biến và sôi động Đã có rất nhiều nơi, nhiễu lĩnh vực ứng dụng

pín mặt trời như các công trình đẻn chiếu sảng trong giao thông, các tấm pm

cấp điện cho tàu vũ trụ, cấp điện cho các hộ dân Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên thì pm mặt trời cũng có một nhược diểm rất lớn hiển nay là vẫn dé

hiệu suất phát điện chưa cao và giá thành rất đất Do đó mà pỉ mặt trời mới

chỉ chủ yếu dược ửng dụng rộng rãi tại các nước phat triển Còn đối với

Trang 5

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

Hiện tại thì ở Việt Nam, mặc dù cũng có nhiều dự án cấp diện bing

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 hảng dữ liệu về

bức xạ mặt trời và số giờ nắng tại các địa phương còn rất thiểu 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 quả cũ Ngoài ra còn có yếu tế rất quan trọng ảnh

hướng đến hiệu suất phát điện của pin mặt trời Lại các địa điểm lắp đặt nữa là

nhiệt đồ và định hướng của dàn pin Việc xét ảnh hướng của nhiệt độ giúp chúng ta rất nhiêu trong việc lựa chọn chúng loại pin cũng như công suất cho

phủ hợp, vả việc xót ảnh hướng của dịnh hướng dân pin mặt trời giúp chúng

ta cé thể lựa chọn được một góc nghiêng tốt nhất cho đàn pin dé đạt được

hiệu suất phát điện tắt nhất

Hiện cá rất nhiều phần mềm tính toán, thiết kể lắp đặt pin mặt trời trên thể giới, tuy nhiên hầu hết các phần mềm dễu tập trung vào việc thiết kế lắp

đặt dan pin chir chia xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ và định hướng của dàn

pin, hode néu có thì việc ứng dụng phần mềm dó cũng chỉ dựa vào kết quả thu được mả không hiểu dược náo bước thực hiện tính toán I3o vậy mà vẫn dễ

cấp bách đặt ra hiện nay đối với việc ứng dụng pin mặt trời là phải nghiên

cứu, tỉnh toán dược mọi yếu tổ ảnh hưởng dến hiệu suất phát diện của dân pin

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

sử dụng pín

Trong khuôn khổ luận văn nảy, các vấn đề về tính toán lý thuyết và

cũng như cấu trúc phần mềm tính toán ảnh hướng của nhiệt độ và định hướng,

Trang 6

thời cũng qua đây, sẽ áp dụng vá tỉnh toán thử nghiệm đối với một số tỉnh đại

điện cho ba miền Bắc, Trung, Nam của Việt Nam là Quảng Ninh, Đà Nẵng và

thành phố Hỗ Chí Minh

Và dễ có thể hoàn thành dược luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản

thân, tôi cũng đã nhận được rất nhiễu sự góp ý và giúp đỡ của các thầy cô

giáo, đồng nghiệp và ác bạn bè Qua đây, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu

sắc nhất tới thầy giáo đã hướng dẫn rất tận tỉnh và chu đáo cho tdi la PGS

TS Dặng Dinh Thống Giám đốc Trung tâm năng lượng mới, 1rường đại

học Bách Khoa Hà Nội Xin chân thành gửi lời oảm ơn tới tất cá thầy cô,

đồng nghiếp và các bạn đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn nảy

Xim chân thành cảm on!

Trang 7

CIIUONG I NGUON NANG LUOQNG MAT TROL

11 Nguồn năng lượng mặt trời

1.1.1 Câu 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 nguẫn năng lượng chính trong tương,

lai không xa nữa Ngay từ những năm 1970, con người đã sử dụng nguồn

TNI.MT như là một trong những nguồn năng lượng dễ thay thé cho các nguồn năng lượng hoá thạch dang dan din cạn kiệt Để có thể hiểu và khai thác dược

nguồn NLMT ching ta sé tim hiểu qua vẻ Mặt trời

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

Trang 8

Mặt Trời dã hình thành cách dây khoáng 5 Ga (5 tỷ năm) trước theo

như kết quả tính toán của ngảnh niên đại vũ trụ học Mặt Trời quay xung,

quanh tâm của Ngân IIà ở khoảng cách khoảng 25.000 đến 28.000 năm ánh

sáng tính từ tâm thiên hà nảy, nó hoản thành một chu kỷ quay vào khoảng 226

Ma (226 triệu năm) Vận tốc quỹ đạo là 217 kn⁄s, có nghĩa là ] năm ánh sảng

bằng 1.400 năm và 1 đơn vị thiên văn (bằng khoảng oách từ Mặt trời tới trái

đáp bằng # ngày di chuyển của nó Mặt trời tự quay quanh trục của nó hết 2 ngảy đêm nhưng không giống với sự tự quay của một vật rắn, chu kỳ quay

của xích đạo Mil trời là 27 ngày dêm, côn ở hai cực lại là 30 ngày dêm

Mặt trời là một khối cầu gần như hoàn hảo với độ det khoảng 2 phần triệu chủ yếu là do lực hấp dẫn của Mộc tính Mặt Trời không có ranh giới rã

rang như ở các hành tỉnh só đất dá Đường kính của Mặt trời là 1,39.10°km

(gấp khoảng 109 lần đường kính lrái đất) Thành phân khí cấu tạo của Mặt

trời chủ yếu là Hydro (chiếm tới 80%) và nguyên tế Hcl chiếm gần 20%, cáo

phân tử khí liên kết với nhau nhờ lực hap din Mat đô các khí giám din xuống

theo quan hệ số mũ theo khoảng cách tính từ tâm Mặt Trời Khoảng cách

trung bình giữa Mặt trời và Trái đất sắp xĩ 1,5.10®km Sau dãy là một số thông

số cơ bản của Mặt trời

Bang 1.1 Cúc thông số và thành phần của Mặt trời

Trang 9

11

trưởng

Vận tốc thoát ly 61734kmws Silic 0,07% Thhiệt độ bê mặt 5.780K Magpie 9,05%

11.2 Năng lượng Mặt trời

Mặt trời thực chất là một lỏ phản ứng nhiệt hạch khổng lồ Tại tâm của

Mặt "Trời, mật đô của nó khoảng 150 g/cm* và nhiệt đô khoảng từ 8.10K đến

40.10°K 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-ban kín Mặt Trời) chỉ chứa khoảng 40% khối lượng và 15% thể tích của Mật 1rời nhưng chiếm tới 90% năng hượng của nó Ở khoảng cách 0,7R nhiệt

độ giảm xuống còn 130.000E, tại đây khối lượng riêng giảm xuống còn

0,07kg/m2 và bất đầu xảy ra hiện tượng đối lưu Lớp võ ngoài từ 0,7R đến R

cũng là vùng đối lưu vả nhiệt độ ở vũng nảy còn khoảng 5000K, khối lượng

riêng giảm xuống chỉ còn khoảng 10°kg/mẺ Lớp phí trên vùng đối lưu gọi là mặt phát quang hay quang cầu (photosphcrc) Mứp của quang cầu lả một

đường vành rõ nét, có cầu tạo tương tự như tập hợp bởi nhiễu “hạt” gọi là tế

bảo đối lưu không bình thường Đường kinh của mỗi Lễ bảo ước Lính khoảng

1000 dén 3000km, thời gian tồn tại của chúng chí trong một vài phút lớp sát

Trang 10

mặt ngoài quang cầu với chiều đày khoảng vải trăm km cỏ khối lượng riêng

tăng đột ngột, đạt đến khoảng 10 lần so với khối lượng riêng của không khí

trên mặt biển nên được gọi là lớp đảo Tiếp theo lớp đáo là vành lửa

(chromosphere) vé chidu day khoảng 10'km và nhiệt độ cúa lớp này khoăng

5000K Cuỗi cùng là vành nhật hoa (Corona) có khôi lượng riêng thấp nhất

nhưng nhiệt độ rất cao khoảng 105K

Trên đây là một bức tranh mô tả đơn giãn cầu trúc vật lý của Mặt Trời (về nhiệt độ và gradien khối lượng riêng của né) 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 đỉnh nao đó Còn Mặt Trời thi phát xạ bức xạ từ nhiễu lớp, mỗi

lớp ứng với những nhiệt đồ khác nhau nên đã tao ra dãy phố liên tục có bước

sóng À = Ú + stm Tuy nhiên trong lĩnh vực nghiên cứu về quá trình nhiệt

người La cỏ thể coi Mặt Trời là một vật den, phát xạ ở nhiệt độ 6000E Còn

các lĩnh vực nghiên cứu khác, chẳng hạn như quả trình quang hợp, quá trinh

quang điện v.v có phụ thuộc vào chiều dải sóng nên sự phân bố quang phổ lại trở nên rất quan trọng, vị vậy không thể coi Mặt Trời là mệt vật đơn

Các phần img tổng hợp hạt nhân (clear fiusian) chuyên hóa Hydro thành

Heli Cử mỗi giây có khoảng 8,9x10”” prôton (hạt nhân hiđrô) được chuyển

hóa thành hạt nhân Hcli Nó giải phóng năng lượng thco tý lệ chuyển hóa

khối lượng năng lương của 4.26 triệu tấn trên giây hay 33 yota watt

(9,1510! tân TNT trên giây) thoát ra khỏi bề mặt của Mặt Trời trong đạng

các bức xa diện từ trường vả nơtrine (và trong quy mô nhỏ hơn như lả dộng năng và nhiệt năng của plasma gió mặt trời cũng như năng lượng trong từ

trường của Miặt Trời),

Do nhiệt độ và áp suất bền trong Mặt Trời cao như vậy nên vật chất đã

nhanh chóng bị ion hoá và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng va

Trang 11

13

chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Người la đã xác

định được các nguồn năng lượng của Miặt Trời chủ yếu do hai loại phần ứng

hạt nhân gây ra Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và

Nito (C-N) v4 phan ứng hạt nhân Proton-Protem

2 Qué trink phần ứng tuần hoàn CON:

Quá trình có thể được mô tá như sau

- Hạt nhân CP va chạm với mét proton tao ra đẳng vị WE va độ hụt khối

Am Năng lượng tương ứng với độ hụt khối sẽ là A? =Am,.c với c —

3.10°m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không,

- Dồng vị w}'không bên lại biến thành đồng vị C2” và phát ra 1 positron

- Dềng vị CƑva chạm với 1 proton tạo ra đồng vị XƑ'và tia 2# là năng lượng điện từ có bước sóng rất ngắn, Az,

- Đồng vị M†tva chạm với I proton tao ra déng vi O!*khéng bén va dé hut

khối Am, biến thành năng lượng AE;oũng dưới đạng ta È

- Đồng vị O!bién dỗi thành WJ” và phát ra mét positron

- Cuối củng ding vi x va chạm với proton biển thành Œ“vả hạt nhân

Hes

Why vay chung ta thấy sau chuỗi phản ứng nói trên, hạt nhân CJ lại trở về

đống vị CƑ Điều đó có nghĩa là phản ứng hạt nhân C-N có tính tuần hoàn

Trong quá trình phân ứng, một lượng TT; bị tiêu hao và chuyển thành năng

lượng

Trang 12

b Phần ứng tuần hoàn Proton-Proton có thể được viết nhữ sưu:

THị+HỊ xC+e'+Bö+h0 ĐỀ+H, >Dit+y

He - Hẻ) › He} +2H,

Trong đỏ Đ/ 1à đồng vị Hydro nặng, e† là positron; hv là năng lượng của

hat anh sng hay photon; Ie’, He?va He} la cdc déng vi của hạt nhân Heli

Cả hai loại phẫn ứng nói trên đầu cớ 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 lả

m= 1,672.10%p

ma — 6,644 10%z

Từ đó chúng ta tính được độ hụt khối Am của phần ứng kết quả sẽ là

Am — (4am, —m,) — 0.044.107” an

1Iay bằng 0,7% tổng khối lượng của 4 proton Từ biểu thức của Anhxtanh

E— Ame’ Ta tính được năng lượng được giải phóng ra khi 1g hạt nhân Lạo ra

phản ứng sẽ là 9.109) Như vậy khi có lg proton tham gia phần ứng hạt nhân

thì bị tiêu hao mất 0,7%g và phát ra một năng lượng là: 9.1012/0,7% — 6,3.1011

Như trên đã cho thấy, mỗi giây Mặt Irời bức xạ một năng lượng là

3,8.10?51, Như vậy trong mỗi giây lượng nhiên liệu Hydro tham gia phan img 1à 3,81025/6,3.107 — 6,03.10® tấn Tên thất thực tế là 6,03.10° x 0,7% —

422.10 tân/giây

Trang 13

Như đã nói ở trên, khối lượng của Mặt Trời xấp xỉ bằng 2.10” tấn Như vậy đề Mặt Trời chuyển hoá hết khôi lượng của nó thành năng lượng cần một

khoảng thời gian là 15.101 năm Từ đó chúng ta có thể thấy rằng nguồn năng

lượng Mặt Trời là không lồ và lầu dai

1.2 Chuyển động tương dối của hệ Mặt Trời — Tr:

‘Trai Dat la mét quả cầu quay xung quanh Miặt 'lrời theo một quỹ đao hình

Ehp gan tran (còn được gọi là Hoàng Đạo) có bản kinh trung bình là R — 1,495.104%m Mat chu kỳ quay của Trái Đất xung quanh MiặL Trời hết 365 lẻ

#4 ngày (còn được gọi là một năm) Ngoài chuyên động quay xung quanh Miặt Trời, Trải Đt còn tự quay xung quanh trục quay riêng của nó Trục quay này

là một dường thẳng di qua hai cực của Trái Đất và hợp với phương pháp

tuyến của mặt phẳng Hoàng Dạo một góc là ỗ = 23°45 Một chu kỳ quay của Trải Đất xung quanh trục riêng của nó hết 24h (hay một ngày đêm) Mặt

phẳng vuông góc với trục của lái Đất và cắt Trái Đất một tiết diện kớm 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 dịnh hướng của

trục rái Đất củng với sự chuyển động của nó xung quanh Mặt Trời và xung

quanh trục quay riêng của nó đẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất

và Mặt Trời, cũng tức là thay đổi cường độ bức xạ Mặt Irời trên bề mặt lrái

Dat hàng ngày, hàng tháng vả hàng mùa trong năm

'Trong một chu kỳ quay của Trái pat xung quanh Mặt Trời có 4 vị trí

tương ứng với 4 ngày đặc biệt trong năm đỏ là Xuân phân (ngày 21 tháng 03),

Hạ chí (ngày 21 tháng 06} Thu phân (ngày 2] tháng 09); Đông chỉ (ngày 21

tháng 12) Đếi với ngày lla chí thì các tháng ở xung quanh ngày này, các vị

trí ở Bắc Đán Cầu, tia Mặt Trời chiêu trực điện hơn vả khoảng cách đến Mặt

"Trời ngắn hon Do đó Bắc Bán Cầu nhận được nhiều bức xa hơn có nghĩa là

Trang 14

Nam Ban Cầu, khoáng cách đến Mặt Trời dài hơn nên nhận được bức xạ Mặt

Trời ít hơn, và thời gian nảy là mùa đông đối với Nam Ban Cau 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 ha

Quy dao TD

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

Ở hai vị trí trung gian khác của Trái Đất là vị trí vào ngày Xuân phân và ngày Thu phân thì tia bức xa 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 xa cũng yếu hơn các điểm nằm ngay trên đường xích dao

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 6 Ở ngày Hạ chỉ, góc

8 nay bằng +23945; Ở ngày Đông chí ö bằng -23945 Để tính góc lệch ð ở các

ngày bất ký trong năm ta có thể dùng phương trình Cooper:

Trang 15

1.3 Lớp khi quyển Trái ĐÁ( và ảnh hưởng của nó tới Năng lượng Mặt

Trời trên bề mặt Trái ĐÁ

1.3.1 Khí quyền Trải Đất

Tà lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trai Pat va dược giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất Nó gồm có nitơ (78.1% theo thể tích) và ôxy

{20.9%%4), với một lượng nhỏ acgon (0.9%), cacbon điôxit (dao động, khoảng

0.0359), hơi nước và một số chất khí khác Hầu khỉ quyền 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 rảng với khoảng không vũ trụ

nhưng mật độ không khí của bầu khí quyến giảm dần theo độ cao Ba phân tư

khối lượng khí quyền nằm trong khoảng 11 km đầu tiên của bề mặt hành tỉnh

Dộ cao 120 km (75 dặm hay 400.000 ft) được coi là ranh giới đo ớ đó các

hiệu ứng khí quyển có thể nhận thấy được khi quay trở lại Đường Cacman,

tại đồ cao 100 km (62 dặm), cũng dược sứ dụng như là ranh giới piữa khí

quyền Trái Dat va khoảng không vũ trụ

Thiệt độ khí quyển Trải Đất đao động theo độ cao, trung bình tại bể

mặt Trái Dất là khoảng 14°C, méi quan hệ toán học giữa nhiệt độ và độ cao

dao động giữa các tầng khác nhau của khi quyến:

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

độ (ở 2 vùng cực là 7-10km) và các yếu tế thời tiết, nhiệt độ giảm dần theo độ cao dat dén -50°U Không khi trong tầng đổi lưu chuyển động theo chiều

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

Trang 16

ra hàng loạt quá trình thay đổi vật lý Những hiện tượng mưa, mưa đá, giỏ,

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 dây không khí loãng, nước và bụi rất ít,

không khí chuyển động theo chiều ngang là chính, rất ồn định, do đó rất thích

hợp cho máy bay bay

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

độ cao đạt đến -75°C Phần đỉnh Lằng có một íL hơi nước, thỉnh thẳng có một

vải vết mây bạc gọi là mây dạ quang

1 Tang nhiét: tir 80 85 kma đến khoảng 640 km, nhiệt độ tăng theo độ

cao có thể lên dến 2.0009C hoặc hon Oxy va nito a ting này ở trạng thái ion,

vì thể gọi là tầng điện ly Sóng vô tuyến phát ra từ một nơi nào đỏ trên vừng

bể mặt Trái đất phải qua sự phần xạ của tầng điện ly mới truyền đến các nơi

trên thể giới

+ Tang ngoài: từ 500 1.000 km đến 10.000 km, nhiệt độ tăng theo độ

cao có thể lên đến 2.5009C Đây là vùng quá độ giữa khí quyền Trái đất với

khoảng không vũ trụ Vì không khí ở đây rat loãng, nhiệt độ lai rât cao, một

số phân tử và nguyên tử chuyển động với tốc độ cao cố "vùng vẫy" thoát ra

khối sự trôi buộc ủa sức hút Trái đất lao ra khoảng không vii tra Do dé ting

nay côn gọi là tầng thoát ly,

Ranh giới giữa các tầng được gợi là ranh giới đối lưu hay đỉnh tầng đối

lưu, ranh giới binh lưu hay đỉnh tầng bình lưu vả ranh giới trung lưu hay đỉnh

tằng trung lưu v.v

Trang 17

19

1.32 Bức xụ Mặt Trời bên ngoài khi quyển

Cường độ bức xạ Mặt Trời đo được ở bền ngoài lớp khí quyến bao

quanh Trái Đất trong một đơn vị thời gian trên một don vị diện tích bề mặt

đặt vuông góc với tia bức xạ là IHng số Mặt Trời lạc nó có giả trị xấp xỉ 1353

WmẺ Và nó cũng nó nghĩa là năng lượng của toàn bộ phổ bức xạ Mặt Trời,

năng lượng bức xa 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 vả Mặt Trời ở tiêu điểm nên mật độ năng lượng Mặt lrời bên

ngoài khí quyền Trái Dat cũng bị thay đổi mét long nhé Gid tri mat dé ning

lượng Mặt Trời ở một ngày bất ký nào đó có thể tính theo công thức

Phân bố phổ bức xạ Mặt lyời bên ngoài khí quyển Irải Đất được cho

trong bảng sau đối với hằng số Mặt Trời Isc = 1353W/m?

Bảng 1.2 Phân bẳ phỗ bức xạ Mặt Trời bên ngoài khí quyễn

Trang 18

Như đã thấy trong bảng, giá trị phê lúc đầu tăng lên rất nhanh theo

bước sóng 2, dal gựo đại ở À — 0,48im và sau đó giảm dân đến 0 Khoảng 99% của bức xa Miặt lrời nằm trong dai phd tir 0,2m - 4pm Con dai lượng

D¿ được xác định theo công thức sau:

1.3.3 Sự suy giảm cường độ bức xạ khi qua lớp khí quyển

hi phân tích cáo số liệu bức xe phát ra Lừ bề mặt Mặt Trời ở hôn ngoài

lớp khí quyển trong nhiều năm người ta thấy cường độ bức xạ Mặt lrời thay

đối rất ít (khoảng 1%) Vì vậy khi xét trong quá trình nhiệt đùng cho mục đích

năng lượng thì sự thay dỗi này có thể bỏ qua Tuy nhiên, khi bức xạ Mặt Trời

Trang 19

21

xuyên qua lớp khí quyền thi cường độ của chúng bị suy giảm đáng kế do

nhiễu nguyên nhân như bị hắp thụ bởi hơi nước hay bị tán xa do gặp cáo phân

tir khi Oz, O5, CO2, NOx, cdc hat bụi lơ lũng trong không khí hay các phần tử

khác, hoặc khi xuyên qua cáo đám mây Ví dụ như các lúa cự tím và La X

bị hấp thụ bởi các phan tr Ozone Os, cén cdc tia hỗng ngoại có bước sóng >

2,5um thì bị các phân lử nước HạO và khi CO; hấp thụ hầu như hoàn toản Theo như tỉnh toản lý thuyết thi người ta thấy rằng nêu các phần tứ lơ lửng có

kích thước rất nhỏ so với bước sóng ánh sáng thì khi tia bức xạ xuyên qua lớp

khí quyền có cường độ bức xã giảm theo tỷ lệ X', trong dó A là bước sóng bức

xa dơn sắc

'thực nghiêm đã xác định được rằng hệ số truyền qua của lớp khí quyền

đã bị hấp thụ

4 7„„ =1Ô 0,003%9 27

Trong đó Am), tỷ khối khí (là tỷ số giữa quăng 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 phẩn tử le lửng có kích thước lớn hơn nhiều sơ 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 nễng độ của chú tuỳ thuộc vào vị trí dia ly, đô cao và thời gian

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

— 10.00343407

Ty =10 (1.6)

Trong đó cũng coi bức xạ là trực xạ tới đỉnh đầu và nồng độ trung bình

của các phần tử bụi trong bầu khí quyễn d = 800/cmÈ Còn dối với phần tứ tán

Trang 20

x4 là hơi nước đọng sương, tương đương với lớp dảy 20mm, khi Mặt Trời ở

đỉnh đầu thi được tỉnh bằng công thức

Trong đó: 7¿¡là hệ số truyền qua lớp khí quyển của sóng bức xạ

don sic (chiéu dai song ^ chỉ xét cho thành phân tán xa)

P là áp suất khí quyền (mmHg)

đ là nẵng độ bụi ở mặt dất (sé hat/cm3)

w là độ dày của lớp hơi nước động sương (mm)

m là tý khối khi Giá trị của hệ số truyền qua của bức xạ phụ thuộc vào chiều dai song

khi xuyên qua lớp khí Oa có chiều dày 2,5nam cho trong bảng sau

Bang 1.3 Bảng hệ số truyền qua theo các bước sông

Khi 2 > 2,3um thì hê số truyền qua lớp khí quyển là rất nhỏ (do bi cdc

phan tử nước IIyO và CO; hắp thụ) nên năng lượng của bức xạ hồng ngoại khi

đến mặt đất chỉ còn khoảng 5% so với vùng ngoài lớp khí quyễn

Trang 21

23

Luận văn tốt nghiệp cao học

Hệ số truyền qua của bức xạ tán xa 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

Tạ = T¿(s)TA(haplm) = TA(s)foATvA (9)

Trong đó: 7¿¿z; là hệ số truyền qua chỉ phụ thuộc chiều dài sóng

Z„; là hệ số truyền qua chỉ phụ thuộc vào lượng khí O;

7„; là hệ số truyền qua chỉ phụ thuộc vào lượng hơi nước

Đức xa mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao

động điện từ trong không gian Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường

độ điện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông

Trang 22

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 2

Irong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần ding bang c — 3.10°m/s Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn va bằng v — c/n, trong dé n được gọi là chiết suất tuyệt đổi oủa môi trường, với

n>], Cac sóng điện từ có bước sóng trái dài trong một phạm vi rdt rong tir 10°

”nm đến hàng nghìn km linh 5 trình bảy thang sóng điện từ của bức xạ mặt

trời

+ Ị A

vũ Tial Tiatủ| | Hồng | Sóng | Sóng vô luyến

phần rất nhỏ của phố sóng điện từ của bức xe mất trời Mặc dù có cùng bản

chất là sóng điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng % khác nhau thì

gây ra các tác dụng lý học, hoá học và sinh học rất khác nhau Nói riêng trong

vùng phố nhìn thay được, sự khác nhau về bước sóng gây ra cho ta cảm giác

mau sac khác nhau cũa ánh sáng Khi đi từ bước sóng dải ^ — 0,8um đến giới

han sóng ngắn À — 0.440 ta nhân thấy màu sắc của ánh sảng thay đối liên tục

từ đỗ, cam, vàng, lục, lam, chảm, tắm Mắt người nhạy nhất đổi với ánh sáng

màu vàng có bước sóng 2, — 0,58m Sự phân bố năng lượng dỗi 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 bằng 3 là quan

hệ piữa mảu sắc của ánh sáng và bước sóng của nẻ Từ bảng 3 chúng ta thấy

Trang 23

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

từ À — 0/2um đến 4 — 3,0um, còn ngoái vùng đó mật độ năng lượng không

đáng kế

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

phân tử khí, các hạt bụi hấp thụ hoặc bị làm tản xạ nên phể vả năng lượng

mặt trời khi đến bê mặt quả đắt bị thay đối tất đáng kế

Băng 1 4 Phan bỗ phổ bức xạ mặt trời theo bước sông

"Tia tử ngoại B 0,28 : 032um 2,122.10" 1,55

Tia ti ngoai A 0,32 = 0,40um 8,073.10" 5,90

0,52 + 0,62m 1,827.10? 13,36 0,62 = 0,78um 2,280.10? 16,68

Tia hing ngơại 0,78 = 1,40pm — 4125.102 30,18

1,40 = 3,00um 1,836.10? 13,43 3,00 + 100,00.m 2,637.10" 1,93 Sóng vô tuyển điện |0,10 : 10,0cm 6,978.10°

10,0+ 100,00cm 6,978.10"

Trang 24

Bằng 1.5 Màu sắc và bước sóng của ảnh sảng mắt trời

1.42 Cường độ bức xạ Mặt Trời biên dỗi theo thời gian

Irước hết chúng ta sẽ định nghĩa các góc có liên quan đến toa độ của

địa điểm trên Mặt Đất và vị trí của Mặt Trời tại thời điểm đang xét

Hình 1.5 Các góc xác Ñịnh ta mặt trôi tới trên mặt ngang và nghiêng

- Góc giờ œ là góc xác định vị trí Mặt trời trên bầu trời ở thời điểm

quan sát Nó lả số đo gúc của thời gian vả tương đương 15° trong 1gi0 No

cũng biến đổi từ -180° đến +10” Người ta quy ước việc đo góc œ từ giữa

Trang 25

trưa, tức là tại 12 giờ trưa gốc giờ œ — 0, dựa trên thời gian thực địa phương,

Nó có giá trị dương (+) vào buổi sáng vá có giá tri (-) vao buổi chiều

- Mặt Trời mọc, lặn và độ dải ngày: tióc giờ tương ứng với thời diểm

Mặt Trời mọc hoặc lặn œ; trên mặt nằm ngang có thể tính từ phương trỉnh

quan hệ giữa uáu góc ứng

cos = si gsin d + cos Peos J cos @

Nếu chúng ta thay thể góc @, — 90° khi dé chúng ta có

cos@,- fgggổ xá, T— cos Ì( tgợteổ)

Tuy vao đấu của ‹os mà ta có giá trị góc giờ lúc Mặt Trời mọc (dấu |),

hay lặn (dẫu -) Vì góc giờ15" tương đương với thời gian Igiờ nên độ đài ngày

tính ra giờ sẽ là

cos @, = (2/15) cos” (—iggrgd)

Góc giờ lúc Mặt lrời mọc hoặc lặn do người quan sát ở trên mặt

nghiêng hưởng Nam cũng sẽ được cho bởi công thức trên, nếu ngày quan sát

ở trong khoảng 22/09 va 21/03 va dia phương quan sát ở Bắc Bán Cầu Sở dĩ

như vậy là vỉ trong khoảng thời gian này góc lệch ö là âm và mặt phẳng

chuyển động uũa Mặt Trời cắt mặt nằm ngang theo một đường Đông Tây nằm

phia am của đường ông lây đi qua người quan sát trên mặt nghiêng Tuy

nhiên, nếu ngảy quan sát nằm trong khoảng 21/03 và 22/09 thi gúc giờ lúc

'Miặt Trời mọc hoặc lăn sẽ nhỏ hơn về giá trí sơ với giả trị cho trong phương

trình trên và sẽ thu được bằng cách thay 8 = 90” vào phương trình theo hướng

Như vậy, giá trị của œo„ đối với một mặt nghiêng hướng Nam ở Bắc

án Cầu lả nhỏ hon gid tri dược cho thco phương trình trên

Trang 26

- Thời gian địa phương: Để tỉnh 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 gid œ là thời gian địa phương Nó có thê thu

được từ thời gian chuẩn trên dồng hồ bằng cách thực hiển bai hiệu chỉnh

Hiệu chỉnh thứ nhất là do sự khác nhau giữa kinh tuyển của dịa phương và

kinh tuyến xác định giờ chuẩn Giá trị hiệu chính là 4 phút đổi 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 đo sự kiện răng quỹ đạo của Trái Dit va tốc độ quay có

những thăng giảng nhỏ Sự hiệu chỉnh nảy dựa trên các kinh nghiệm quan sát

được trong nhiễu năm như đã trình bảy 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 giam

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

có cường dé bite xạ Mặt Trời cao Điối với một chu kỳ quay của Iyái Đất xung, quanh Mặt Trời, chúng ta nhận thấy vào thời điểm khi Trái Đất gần Mặt Trời nhất tương ứng với ngày Ha chỉ vả những thời điểm lần cận thỉ cường dộ bức

xa Mặt 1rời sẽ đạt cường đô cao nhất Còn đối từng ngày thì thời điểm chúng

†a có thể đón nhận được năng lượng bức xa lớn nhất là thời điểm 12h trưa

14.3 Cường độ bức xạ Mặt Trời theo không gian:

Chúng ta biết rằng trong sự chuyển động tương đối của hệ Mặt Trời và

Trải Đất thì quỹ dao quay của Trái Đất xưng quanh Miặt Trời là một quỹ dạo

hình elip gần tròn vả thời gian để thực hiện một chu kỳ quay là 365 lễ 1⁄4 ngày

Trang 27

29

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

xa Mật 'lrời khác nhau Để có thé di sâu hơn chứng ta sẽ định nghĩa một vài

góc tương đối giữa Mặt Trời và Trái Đất

- Géc vi tuyén (vĩ độ) œ của một địa phương nao dé là góc tạo bởi bán kính

của Trái Đất đi qua địa phương dé va hình chiếu gủa nó trên mặt phẳng xích

dao của lrái Dất Vĩ đô của các địa phương trên mặt đất biến thiên từ 0 đến

¡908 (điểm Cực Bắc) hay -90° (điểm Cực Nam)

- Góc lệch ö là góc giữa đường nối các tâm Mặt Trời và trái Đất và hình

chiến của nó trên mặt phẳng xích dạo Nó xuất hiện do lrái Đất quay xung

quanh một trục riêng của nó, trục Bắc — Nam tạo với pháp tuyến của mặt phẳng quỹ đạo cia Tr4i Pat quay xung quanh Mặt Trời một góc 23,450 Góc

lệch ö sẽ có giả trị =23,450 vào ngày Hạ Chí 21/06 và -23,450 váo ngày Đông

Chí 21/12 Gác lệch ồ ở một ngày bắt kỳ cá thể xác định được theo công thức

Hinh 1.6 Ste thay déi của góc lệch của mặt trời theo thời gian trong nằm

Như vậy chúng La thấy rằng, ứng với từng thời điểm với các vị trí khác

nhau ở trên Trái Dat ching ta có thể xác định được các góc và hưởng của tia bức xạ Mặt Trời chiếu xuống Trái pit để qua đó tính toán được lượng năng

lượng hay cường độ bức xa chiếu xuống một vị trí nảo đỏ tại mặt đất Với vị

Trang 28

trí tương đối của Trái ĐẠI và Mặt Trời như vậy thì trong một chủ kỳ quay của

'Trái Đất quanh Mặt Trời thì vào thời điểm Irái Đất gần Mặt 'Irời nhất tức là

ngay Ila chí thì cường độ bức xạ chiếu xuống là lớn nhất Ngoài ra trên mặt

đất thì vị trí gần Mặt Trời nhất oững đồng nghĩa với việo số nhận được bức xạ

lớn nhất là những khu vực xích đạo và gần xich dao 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 qua tốt nhất

I.5 Hức xạ Mặt Trời tửi bộ thu dật trên Mặt Đất

Di với bộ thu đặt trên Mặt Dat, thi tuỷ tùng vị trí và thời gian ở từng địa phương trên Mặt Đất mả người ta số có cách bể trí để đặt bộ thu sae cho dat

hiệu quả cao nhất Tuy nhiên da số các bộ thu năng lượng Mặt Trời dược dặt

nghiêng một góc 5 nảo đó so với mặt phẳng nằm ngang VÌ vậy cần thiết phải

tính toán dòng năng lượng tửi trên mặt phẳng nằm nghiêng từ các số liệu thu được trên mặt nằm ngang

Nếu gọi 8 lả góc giữa tia tới có cường độ Hạụ„ và pháp tuyến của bề mặt

quan sát (góc tới), thì thành phần tới của tia vuông góc với bề mặt sẽ là

Ty cos8 Góc tới 8 phụ thuộc vào nhiều thông số khác như vĩ dộ œ của dia phương quan sát, góc lệch ö giữa tia Mặt lrời và mặt phẳng xích dạo, góc

.Azimuth + của mặt quan sắt, góc giờ của Mặt trời œ và góc nghiêng 5 của mặt

quan sat so với mặt nằm ngang,

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

vả hình chiến của pháp tuyến của mặt quan sát trên mặt nằm ngang Góc ÿ có

thể biến dai te -180° đến !180° Góc y nhận giả trị (1) nếu hình chiếu pháp tuyển 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 bền trái hướng Nam

Trang 29

31

Góc nghiêng 8 là góc giữa mặt quan sát! và mặt phẳng ngang Nó cũng

biến đổi từ 0 đến 1801 'Ta thấy rằng góc tới 8 phụ thuộc vào các góc nói trên

theo quan hệ sau

cos 8 — sin g(sin ổ cus § — cos vos y cos wsin S)

| cosg@(cosdcos@eosS smđcos#sin 5) | cos đsm ÿ sn Øsin 1.10)

Các trường hợp giới hạn:

1 Với mặt thẳng đứng, 8 — 90%, khi đó từ công thức trên chúng ta có

cos Ô — sint@os ổ cos 7 cos — cosipsin ổ cosz + cos ổsin 7 sinø — (1.11)

+ Với mặt nằm ngang, S — 0, chứng tá có

cosØ — sin ÿsỉn ổ + coscos Ê co§iø (1.12)

Trong trường hợp 0 = 0 thì từ các biểu thức trên người ta có thể xác định

được póc ⁄enith phụ thuộc vảo thời pian và vi trí trên mặt đất

+ Khi mặt quan sát hưởng chỉnh Nam thì y =0 vả chủng ta sẽ có

COS Ở = Si Ø(SIN ổ C0Sð' c05ổCOS7c0s5/05in Ÿ)

-+ 0S Ø(C08 ở cOS Ø Co8 8 — sin ở cos # sín 3) + c0s ở sin # sia ø SIN Š` q13)

- Năng lượng tia bức xạ trực x4:

Tỷ số của dòng năng lượng trực xạ tới trên mặt nghiêng và dỏng năng

lượng trực xạ tới trên mặt ngang được gọi la “liệ số nghiêng” đối với tia trực

xa, được kỷ hiệu bằng rụ

+ Dối với trường hợp mặt nghiễng theo hướng Nam (y — 0):

cosØ —sinổsin(œ 8)! cosổcosøcos(@ S) (1.14)

| Déi voi mat phẳng năm ngang (S = 0), hướng Nam, 0 = 0

cos — sin dsin p+ cos d cos cose (1.15)

Dai hoe Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Trường Minh

Trang 30

Đằng cách tỉnh tương tự la có thể xác định được biéu thire cia 1, đối

với trường hợp mặt nghiêng không hướng Nam (y # 0),

~ Nẵng lượng tia bức xạ nhiéu xa:

Hệ số nghiêng rạ đối với các bức xạ nhiễu xa là tỷ số của đồng năng

lượng nhiễu xạ tới trên mặt nghiêng và tới trên mặt ngang Giá trị ra này phụ

thuộc vào sự phân bố bức xạ nhiễu xạ trên bầu trời và trên phần bẫu trời mà

nặt nghiêng thu bức xạ Nếu giả thiết bức xạ nhiễu xạ lả đẳng hướng, ta có

thừa số nghiêng rạ xác định bằng céng thức

1

Trong đó 8 là góc nghiêng của mặt nghiềng đối với mặt ngang

- Nẵng lượng tia bức xạ phần xa:

Đức xạ phần x4 lả thánh phần bức xạ lới mặt quan sát do phần xạ từ

mặt nên xung quanh mặt quan sát Giả thiết bức xa phân xa cũng đẳng hường

đối với mọi điểm xung quanh mặt quan sát và hệ số phản xạ bằng p, thì hệ số

nghiêng đổi với bức xạ phản xa sẽ là

Trang 31

33

Trong đó: - The, Ile là các mật độ dòng năng lượng Mặt Trời ứng với

các thành phần trực xạ và nhiễu xa do được trên mặt nằm ngang,

Gọi Hạ là tổng xa trên mặt ngang, Hạ — Hạo + Hạp, từ biểu thức trên ta

pt te tr, (1.20)

:

Khi ứng dụng phương trỉnh tính H chúng ta cần phải biết hệ số phần xạ

p mà trong nhiều trường hợp là không đo được Vì vậy người ta thường thừa

nhận giá trị p = 0.27 dễ tính toán May mắn là thành phần phản xạ chiếm tỷ lệ khá nhỏ trong tống H, nên sai số không đáng kế

Trang 32

CHUONG IL PIN MAT TROI TI.1 IIiệu ing quang - điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn p-n

1.1.1 Hiệu ứng quang điện trên hệ thẳng bai mức năng lượng

Xét một hệ hai mức năng lượng diện tứ Fy va Ea trong đó Ta < ly

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

Bình thường diện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn Eạ Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ảnh sáng — photon — có năng lượng h (h là hằng số

Planck, o là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng

Tạ Phương trình cân bằng năng lượng có dạng,

‘Trong cae vat rin, do trong tac rất mạnh của mang tinh thé lên điên 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 nẵng lượng Vùng năng lượng thấp bị

các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thải cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bở trên của nó có năng lượng E„ Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoản 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 Eạ, trong đỏ không oó mức năng lượng cho phép nào của điện từ

Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lượng nói trên, photon có

năng lượng lu tới hệ thống vả bị điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể

Trang 33

chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e, để lại ở vùng hoá trị một lỗ trồng có thể coi như hạt mang điện dương nguyên tổ, ký hiệu h* Lỗ trồng

này có thể đi chuyển và tham gia vào quả trình dẫn điện

THệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng

phương trình sau

Điều kiện dễ diện Lử có thé hấp thụ năng lượng của photơn và chuyển

từ vủng hoá trị lên vủng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hu = he/2 > E; =

Ee Ey Tirdé có thể tính được bước sóng giới hạn Xe cia anh sáng để có thể

†ạo cấp - ht 1a:

Trong thutc té cdc hat din bi kich thich c’ va h* déu ty phat tham gia qua

trình hdi phục, chuyển động tới bờ của các ving năng lượng: điện tử e' giải

phóng năng lượng dễ chuyển tới bờ vùng dẫn Ec, cỏn lỗ trồng hỶ tới bờ E,

Quá trình hồi phục chỉ xây ra trong khoảng thời gian rất ngắn cỡ 10”? + 101

giây và gây ra dao động mạng phonon Năng lượng bị tốn hao do quá trình

hồi phục sẽ là hu — E„

Như vậy khi chiếu sáng vật rắn, diện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng

lượng photon lu và chuyển én ving din tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trồng

e -h!, tức là đã tạo ra một điện thế Liện tượng đỏ gọi là hiệu ửng quang điện

bên trong,

TỊ.1.2 Hiệu suất của quá trình biến dỗi quang diện

'Từ các trình bảy trên chúng ta có thể xác dịnh được giới hạn lý thuyết

của hiệu suất 1ị biến đổi năng lượng quang điện của hệ thông hai mức

Trang 34

B, fs (ayaa

; ›

[2.015 da

Trong dó: - Ta) là mật độ photon có bước sóng &

TuŒ4)d2, là tổng số photon tới có bước sóng € (À + 1+ đÀ)

he, là năng lượng của photon

'tử số của phương trình trên là năng lượng hữu ích mà diện tử hấp thụ

cia photon trong quá trình quang điện, còn mẫu số là tổng năng lượng của các

photon tới hệ Như vậy, rị là một hàm sé ola By vi xe cũng là ham sé cia Ey

Như vậy, qua dỗ thị trên chúng ta thấy hiệu suất biến đổi quang điện

đạt giá trị cực đại Tịmx = 0,44 xung quanh gid tri Ey = 1,5eV Kết quả nảy có

tỉnh tổng quát và áp dụng cho các hệ hai mức bất kỳ

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

2 nguyên nhân sau:

Trang 35

1 Các photon có năng lượng ho < Tig hay 3 > Ac không bị điện tử hấp

thụ để tạo cặp e -h* mà truyền qua vật rắn

+ Do quá trình hồi phục, diện tử và lỗ trống giải phóng nẵng lượng AH,

= hu -T; cho mạng tỉnh thể vật rắn để tới đáy các vùng năng lượng,

Đối với bán din Si, Tạ = 1,16 eV, tỉnh toán cho thấy 23% mất mắt năng

lượng do photon truyền qua: 339% bị mắt do quá trình hồi phục của ơ và hỶ tới

các bở vùng Hẹ và Hy như đã chỉ ra trên hình Như vậy đối với quá trình

quang điện trên vật liệu Si thì n < 0,44

11.1.3 Dung dặc trưng VÀ sảng, sự bạo dòng quang diện

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

tử - lỗ trồng được tạo thành và do tác dụng của điện trường liếp xúc D„ nên các nặp bị tách ra và bị gia tốc về các phía dối điện, Lạo ra một suất điện déng

quang điện Nếu nổi các đầu bán dẫn loại p và n bằng một dây din thi trong

đây 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 pen khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào bản chất các bán dẫn, vào nhiệt độ lớp

tiếp xúc vá vào bước sóng và cường độ ánh sáng lới

Hiện tượng xuất hiện suất diện dộng quang điển trên lớp bếp xúc bán

din p-n khi chiếu sáng được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong Gần chủ ý ring chỉ cô các cặp điện tử - lỗ trếng được tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc cách

bở miễn tiếp xúc một khoảng Tay được gọi lá độ dài khuyếch tán trung bình

của cặp e - h* thi mdi bị điện trường tiếp xúc tách ra và tạo ra dòng quang

điện Lọ là hàm của hai tham số: độ linh động của hạt diện _: (tốc độ chuyển

động/ một dơn bị điện trường) và thời gian sống trung bình r của cặp trước

Khi bị tái hợp

Trang 36

(25)

Hinh 2.4 Su tao thanh dong quang điện

Như vậy dòng quang diện I„„ tỷ lệ với tổng sé photon bi hap thu va cé

thể được biểu diễn bởi công thức sau:

Ae

Tạ — 4K J J(aydd 26)

0

'trong đỏ K là một hệ số và được gơi là hiệu suất góp của lớp tiếp xúc,

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

%

Ở đây Nụ là số các cặp e - h!' được tạo ra trong giới hạn bude song Ac

Thi cho K = 1, Nặu là hàm số của E„ thông qua ke va duoc biểu diễn trong

hình sau

Trang 37

10!

?

1.0

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của sÕ cập & = bˆ được tạo ra khi

chiẫu sáng lắp tiếp xúc pn vàn độ rộng vùng cẩm của vật lậu

Nghiên cứu đường đặc trưng VA của lớp tiếp xúc p-n được chiếu sáng

Dưới tác dụng của một chùm sáng có cường dộ không dỗi, trong mạch xuất

hiện một đỏng quang điện, nó là dòng chuyển động của các hạt dẫn không cơ

lu qua lớp tiếp xúc lừ n sang p và có giá trị lu Dòng

tản, luôn luôn có

tổng công qua lớp tiếp xúc p-n khi đặt một nguồn thé ngoài V có thể biếu diễn

bởi tổng dai sé cia hai đồng, dòng quang điện là và dòng qua Diot la như

sau

tt

Đường đặc trưng I— f{V) theo công thức trên gọi là đường đặc trưng

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

VA của lớp tiếp xúc p-n có thế suy ra từ đường đặc trưng VA tôi của nó bằng

cách tĩnh biến thoo trục OI trên hệ toạ độ OTV một giá trị bằng đồng lu, Như

vậy một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n khi được chiếu sáng có thế trở thành một

Trang 38

máy phát điện, cho công suất điện mạch ngoài hữu ích Thiết bị sử dụng hiệu

ứng quang điện bền trong trên lớp bán dẫn p-n để biển đối trực tiếp năng lượng của ảnh sáng mặt trời thành điện năng được gọi là Pin quang điện hay

Pin mat trời

1I.1.4 Tính chỉnh lưu của lớp tiếp xúc bán dẫn

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

Tình 2.6 Các mạch diện Äo đặc trưng VA của tiếp xúc bán dẫn p-n

Dặt một nguồn thế ngoài vào một lớp tiêp xúc p-n và nghiên cửu sự

phụ thuộc của dòng điện qua lớp tiếp xúc vào hiệu điện thế đặt vào nỏ

Trang 39

41

Trước hết xét trường hợp nguồn thế ngoài phan cực ngược lớp tiếp xúc

p-n, cuc dương của nguồn ngoài đặt vào bán dẫn n, cực âm váo bán dẫn p như tình đầu tiên trên Khi đó, điện trường ngoài lạ và điện trường tiếp xúc Dy

củng chiều Điện trường tổng hợp E — E„y + Ea trên miễn tiếp xúc rất lớn, hàng,

Tảo thể năng ở lớp tiếp xúc bị nâng cao lên do vậy nó cảng ngắn không cho

dong cdc hai tãi điện cơ bắn qua lớp tiếp xúc Ở trạng thái này, mặc đù dòng

các hạt tải không co ban dược gia tốc mạnh, nhưng do mật độ nhó nên dòng,

các hạt không cơ bắn nhanh chóng đạt tới bão hoà có giá trị rất nhỏ Is

Déi phan cực nguồn ngoài, tức là phân cực thuận lớp tiếp xúc p-n (cực

đương của nguồn thé ngoai vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn n) Khi đá

điện trường ngoài và điên trường lớp tiếp xúc ngược chiều nhau, nên điên

trường ting hop E = Ep - Ex < Ex Kết quả là hàng rảo thế ở miễn tiếp xúc

giảm hoặc bị khử hoàn toàn, đông các hạt tải mang điện có mật độ lớn qua lớp

tiếp xúc tăng rất nhanh (theo quy luật hàm số md)

1.2 Cầu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời

Pin Mit Tren (PMT) có cấu tạo gồm hai 14m bản dẫn loại p và loại n

được ghép tiếp xúc với nhau Miặt tiếp xúc giữa chúng hình thành lớp chuyến

tiếp p-n Vi mat dé electron trong miền có tính dẫn n - gọi tắt là miễn n, lớn

hơn mật độ electron trong miễn có tính dẫn p - gọi tắt là miễn p, nên electron

từ miễn n khuyéch tan sang miễn p Ngược lại, mật độ lỗ trống, tương đương

với điện tích đương trong miễn p lớn hơn trong miền n, nên các lỗ trắng từ

miền p khuyếch tán sang miễn n Kết quả là miền n thiểu electron thừa lỗ trồng nên mang điện tích đương (+) miễn p nhận electron và mit 18 trống nên

mang diễn tích âm (-}

Như vậy tại vùng biên giới giữa hai loại bán dẫn hình thành một hiệu

điện thể - gọi là hiệu điện thé tiếp xúc Tức lả tại lớp chuyển tiếp này hình

Trang 40

thành một điện trường tiếp xúc I„ Điện trường này gần trở sự khuyếch tán

của electron và lỗ trồng, và dân dẫn đạt đến giá trị cân bằng Một phiến Silic

đã pha tạp thành loại p và n rồi ghép tiến 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 chủm tia sảng hoặc photon lên một tam PMT

thì hai loại bán dẫn n và p số hấp thụ phoLen và tạo ra các cặp eloeron và lỗ

trồng Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc các electron và lỗ trồng bị tách

khỏi nhau và hình thành ở miễn p một điện tích đương (—) và ở miền n một

diện lích âm (-) Nếu nỗi hai miễn p vả n bằng một dây dẫn thi cáo diện tích

trái đấu này chuyển dịch ở mạch ngoài và tái hợp khi chúng về phía ban din đối cực Nếu tiếp tục chiếr sang cho PMT thi quá trỉnh sinh hạt cơ bản và tái

hợp xây ra liên tục và kết quả ở mạch ngoài sẽ nhận dược một dòng điện một

chiều có cường độ tỷ lệ với cường độ chiếu sáng

Pin Mặt Trời được sân xuất và ứng dụng phế biển hién nay 14 Pin Mat

Trời được chế tạo Lừ vật liệu tinh thé ban dan Silicon (Si) Sila mat chat bin

dẫn diễn hình và có hoá trị TV Tir tinh the Si tinh khiét, dễ có vật liêu tinh thé

bán dẫn Sỉ loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị V

Còn đỂ có vật liệu bản dẫn tính thể loại p thì tạp chất Aeccptor dược dùng để pha vào 8ï là Bo có hoá trị II Đối với PMIT từ vật liệu Si khi được chiếu

sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực khoảng 0,55V, còn đòng đoản

mạch của nó dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng 25 + 30mA/cmẺ

Hiện nay người ta cũng đax đưa ra thị trường các loại PMIT làm bằng vật liệu

8i vô định hình (a-8i) PMT a-8i có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong,

sản xuất do đó có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với PMIT tỉnh thể thì hiệu

suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ốn định khi làm việc ngoài trời

Ngoài 5i, người ta côn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác

có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất bản dẫn nhóm IHI-V, SunBt Cadmi

Tiêu đề	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
Tác giả	Nguyễn Trường Minh
Người hướng dẫn	PGS.TS. Tiểu Nội
Trường học	Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Vật lý kỹ thuật
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2007
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	1,89 MB