TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mặt trời là một khối hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106km.Khối lượng Mặt trời khoảng M¬o= 2.1030 kg. nhiệt độ trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng 15600000K. Vật chất của mặt trời bao gồm khoảng 92,1 % là Hydro; 7,8% Heli và 0,1 % là các nguyên tố khác. Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ: Vùng nhân hay “lõi” Mặt trời: nằm ở trong cùng, có bán kính khoảng 150.103km, nhiệt độ trung tâm khoảng 14 đến 20 triệu độ. Ở nhiệt độ như vậy, vật chất không giữ được cấu trúc thông thường, nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch tạo nên nguồn năng lượng mặt trời. Đây là lò phản ứng hạt nhân: 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra một hạt nhận Heli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ γ.

Trang 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 MẶT TRỜI VÀ CẤU TẠO MẶT TRỜI

Mặt trời là một khối hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đườngkính Trái đất), cách xa trái đất 150.106km.Khối lượng Mặt trời khoảng Mo= 2.1030 kg.nhiệt độ trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng 15600000K Vật chất của mặt trời baogồm khoảng 92,1 % là Hydro; 7,8% Heli và 0,1 % là các nguyên tố khác

Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ:

- Vùng nhân hay “lõi” Mặt trời: nằm ở trong cùng, có bán kính khoảng 150.103km,nhiệt độ trung tâm khoảng 14 đến 20 triệu độ Ở nhiệt độ như vậy, vật chất không giưđược cấu trúc thông thường, nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tưchuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sexuất hiện nhưng vụ nổ nhiệt hạch tạo nên nguồn năng lượng mặt trời Đây là lò phản ứnghạt nhân: 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra một hạt nhận Heli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ

4H11 → He24 +2 Neutrino + (1.1)

Trang 2

- Vùng trung gian: còn gọi là vùng “đổi ngược”, bán kính khoảng (150÷450).103 km, nhiệt độ (4,5÷10).106 K là nơi nguyên tố Hydro hấp thụ tia và phát bức xạ sóng dài Vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crom (Cr), kền (Ni), cacbon( C), silic (Si) và các khí như Hydro (H2), heli (He).

- Vùng đối lưu: bán kính khoảng (450 - 700).103 km, nhiệt độ khoảng 5800 4,5.106

K, gồm các dòng đối lưu lên xuống, chuyển nhiệt bức xạ ra xa bề mặt quang cầu

- Vùng quang cầu: bán kính khoảng (700- 703) 103 km, nhiệt độ khoảng 5700- 5800K, gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấpkhoảng 4500K và các tai lưa có nhiệt độ từ 7000- 10000K

Ngoài ra, Mặt trời còn có một lớp sắc cầu dày khoảng 3000km, tựa như một đám cháy lớn Ngoài cùng là vùng nhật hoa, là một tầng mây bụi khí có biên giới không ổn định

Hình 1.1.Hình ảnh về mặt trời

1.2 NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI

Trang 3

Năng lượng sinh ra do phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lòng mặt trời được chuyển

ra bề mặt và bức xạ vào không gian dưới dạng sóng điện từ với λ = (0- ∞)

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 – 10 µm và hầu như một nưa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng (0,38 0,78) µm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

q= D-T Co(To/100)4 (1.2)ở đây D-T là hệ số góc bức xạ giưa Trái đất và mặt trời

D-T = 2/4 (1.3) là góc nhìn mặt trời và 32’ như hình 1.2

Co = 5,67 W/m2.K4 - Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

Hình 1.2 Góc nhìn mặt trời

Trang 4

q gọi là hằng số mặt trời

Do khoảng cách giưa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên cũngthay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn nên có thể xem q làkhông đổi và được gọi là hằng số mặt trời

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụvà tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng đượctruyền trực tiếp tới bề mặt Trái đất Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặtTrái đất trong nhưng ngày quang đãng ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2.Năng lượng bức xạ mặt trời truyền ra ngoài có thể coi như là bức xạ của vật đen tuyệtđối có cùng nhiệt độ

Cường độ bức xạ toàn phần Eo=6,25.107 [W/m2]

Công suất bức xạ toàn phần Qo=Eo.F=3,8.1026 [W]

1.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH BỨC XẠ MẶT TRỜI

1.3.1 Một số định nghĩa cơ bản:

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đường của nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý

Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một khái niệm như sau :

Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán Đây là dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ)

Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển

Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt)

Trang 5

Cường độ bức xạ: (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độbức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx, cường độ bức xạ quang phổ Eqp.

Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định

Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biều kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ước mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh người quan sát Giờ mặt trời là thời gian được sư dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồngnghĩa với giờ theo đồng hồ

Cường độ bức xạ mặt trời (BXMT) chiếu đến điểm M cách MT một khoảng Et.Khi tia bức xạ Et đến khí quyển một phần nhỏ Et bị phản xạ, phần còn lại vào khí quyểnbị hấp thụ và tán xạ, phần còn lại sau cùng được truyền tới mặt đất gọi là tia trực xạ

1.3.2 Bức xạ mặt trời truyền qua kính

Độ hấp thụ, truyền qua và phản xạ của vật liệu là hàm số của bức xạ truyền tới, độ dày vàchỉ số khúc xạ của lớp vật liệu đó Hầu hết các bộ thu NLMT đề sư dụng kính làm vậtliệu che phủ bề mặt bộ thu vì tính chất quang học ưu việt của nó

Hiệu ứng lồng kính:

Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích luỹ năng lượng bức xạ của Mặt trời phía dưới mộttấm kính hoặc một lớp kính nào đó

Có thể giải thích như sau: Tấm kính hoặc lớp khí có độ trong đơn sắc Dλ giảm dần khibước sóng tăng Còn bước sóng λm khi Eλ cực đại là bước sóng mang nhiều năng lượngnhất, thì lại giảm theo định luật Wien λ= 2,9.10-3/T BXMT phát ra từ nhiệt độ cao, cónăng lượng tập trung quanh sóng λmo= 0,5µm se xuyên qua kính hoàn toàn Bức xạ thứcấp, phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T ≤ 400K, có năng lương tập trung quanhsóng λm= 8µm hầu như không xuyên qua kính và bị phản xạ lại mặt thu Hiệu số năng

Trang 6

1.3.3.Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam nằm trải dài từ vĩ độ 8 độ Bắc đến 23 độ Bắc, nằm trong khu vực cócường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Nhất là các tỉnh nằm ở khu vực miền Trung cósố giờ nắng cũng như cường độ bức xạ cao là một điều kiện tuyệt vời để sư dụng nănglượng mặt trời (NLMT) vào sinh hoạt và sản xuất

Theo kết quả của trạm Khí tượng thuỷ văn Trung Ương với mã số 52C-01-01a thì

ta có bảng số liệu:

Bảng 1.1 Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm

Vùng

Cường độ bức xạ trung bình

Vùng núi Tây Bắc, Thanh Hóa, Hà

3

Thừa Thiên Huế, ven biển Đà Nẵngđến Phú Yên, Kon Tum, Gia Lai,miền Đông Nam Bộ, TP Hồ Chí

Minh, Đồng bằng sông Cưu Long

4

Đắc Lắc, Lâm Đồng, Khánh Hòa,

Trang 7

Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của tiasáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trongkhí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt trời.

Quan hệ giưa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xácđịnh theo phương trình sau:

Năng lượng mặt trời bảo đảm năng lượng cho loài người, hoàn toàn có thể thỏa mãncác nhu cầu năng lương trong tương lai

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận của thiên nhiên, hàng năm mặt trờicung cấp cho trái đất một lượng nhiệt khổng lồ Ngoài ra, nó là một dạng năng lượng siêusạch, việc sư dụng nó không ảnh hưởng đến môi trường xung quanh

1.4.2 Nhược điểm

Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng có nhiều ưu điểm nhưng việc sư dụng nóvẫn chưa được sư dụng phổ biến rộng rãi Đó là do bức xạ mặt trời có các đặc điểm riênggây khó khăn cho việc tiếp nhận và chuyển đổi nó như:

- Bức xạ mặt trời khá tản mạn, có mật độ (công suất riêng) nhỏ, thay đổi theo thờigian (ngày,đêm,các mùa…)

- Hiệu suất biến đổi năng lượng của các tia sáng mặt trời thành cơ năng, điện năng

Trang 8

1.5 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.5.1 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT

Các thiết bị đun nước bằng NLMT là loại hình được sư dụng rộng rãi trên thế giới.Các thiết bị đun nước bằng NLMT đã được lắp đặt cho hơn 2 triệu gia đình tại Nhật Bản,hơn 600.000 gia đình tại Israel và trên 300.000 gia đình tại Mỹ

Loại thông thường nhất của thiết bị nhiệt mặt trời là collector phẳng và bể đựngnước dung tích khoảng 200 lít

Ngoài việc sư dụng nước nóng cho mục đích sinh hoạt thông thường, hệ thống đunnước nóng phục vụ cho các bể bơi cũng phát triển phổ biến

Tại các nước đang phát triển, nhưng nguyên liệu để chế tạo không sẵn, vì vậy giáthành thiết bị còn đắt Vì vậy, để phát triển rộng rãi hơn lĩnh vực này cần tập trung nghiêncứu công nghệ NLMT vào vật liệu tiến bộ và chế tạo bộ thu sao cho đơn giản, rẻ hơn

Trang 9

Với công nghệ sấy bằng NLMT, chủ yếu có 5 loại sau:

+ Các máy sấy không khí tự nhiên ngoài trời: Loại này kết cấu đơn giản, sản phẩm

sấy được đặt trên một cái khay, giá hoặc sàn được sấy khô bằng ánh nắng mặt trời và gió

+ Các máy sấy mặt trời trực tiếp: Loại này sản phẩm sấy đặt ở trong khung kính

trắng hoặc dẻo, mặt trời làm nóng sản phẩm được sấy khô và khung tạo nhiệt cao nhờ hiệuứng nhà kính

+ Các máy sấy mặt trời gián tiếp: Các máy này mặt trời không tác động trực tiếp lên

sản phẩm sấy, vì vậy loại này dùng cho nhưng sản phẩm tránh lượng vitamin bị phân huỷbởi ánh nắng mặt trời Không khí được làm nóng trong bộ tấm thu nhiệt mặt trời, sau đóđươc dẫn qua buồng sấy

+ Các máy sấy hỗn hợp: Máy sấy này là sự phối hợp của tia bức xạ mặt trời trên sản

phẩm sấy và không khí được hâm nóng trước trong một tấm thu nhiệt mặt trời cung cấpnhiệt cần thiết cho sấy

+ Các hệ thống sấy ghép: Loại sấy mặt trời này trong đó còn có nguồn sấy khác như

biogas hay điện phụ thêm làm nóng không khí trong thời gian mặt trời bị mây chephủ

Hình 1.3: Hệ thống sấy cacao bằng năng lượng mặt trời

1.5.3 Pin mặt trời

Trang 10

Các tế bào quang điện đã phát triển trên 100 năm nhằm trực tiếp chuyển ánh sángmặt trời thành điện năng bằng cách chuyển các photon ánh sáng sang điện Về lý thuyết, tếbào quang điện thể hiện tiềm năng lớn cho các nước đang phát triển để giải quyết điện khíhoá vùng sâu, vùng xa, nhưng nơi chưa có điện lưới Tế bào quang điện chủ yếu sư dụngcác bộ thu phẳng hay tập trung Sư dụng bộ thu phẳng thuận tiện cho việc bố trí, ví dụ trênmái nhà, vách kính của các toà nhà cao tầng.

lượng mặt trời

Trang 11

Hình 1.5: PIN năng lượng mặt trời ở nông thôn

1.5.4 Nhà máy điện chạy bằng năng lượng mặt trời

Dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụđể gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện Có 3 loại bộ thu chủyếu sau đây:

- Hệ thống máng parabol: Tập trung tia bức xạ mặt trời vào ống môi chất đặt dọctheo đường hội tụ của bộ thu Nhiệt độ có thể lên đến 400ºC

- Hệ thống nhận nhiệt trung tâm: Sư dụng các gương phản chiếu có định vị theo mặttrời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên tháp cao, nhiệt độ có thể lên đến 1500ºC

- Hệ thống đĩa parabol tròn xoay: Sư dụng đĩa parabol định vị theo phương mặt trờiđể tập trung NLMT vào bộ thu đặt tại tiêu điểm của đĩa, nhiệt độ có thể lên tới 1500ºC

Hình 1.6: Nhà máy nhiệt điện bằng năng lượng mặt trời

1.5.5 Thiết bị chưng cất nước ngọt

Sư dụng NLMT trong việc chưng cất nước ngọt lần đầu tiên vào năm 1872 tại samạc vùng Las Salinas, Bắc Chile Hệ thống đã xây dựng một bể lớn để chưng cất nướcngọt, nó làm việc hiệu quả trong 40 năm Tại Úc và Hy Lạp, các hệ thống chưng cất này đãđược xây dựng vào nhưng năm 1960 nay vẫn vận hành tốt

Các hệ thống chưng cất nước mặt trời có thể chia thành các loại sau:

Trang 12

 Chưng cất bể đơn và đơn giản: Loại này thường dùng ở nhưng nơi lõm nông trênmặt đất với một nắp đậy trong suốt trên chỗ lõm Sư dụng hiệu ứng nhà kính, nướcbốc hơi do bức xạ mặt trời chiếu vào và ngưng tụ lại ở phía trong của nắp se đượcthu gom.

 Các hệ thống chưng cất tiến bộ: Được thiết kế với năng suất cao hơn loại đơn giản.Kết cấu bao gồm các bể chưng cất nước bằng mặt trời hiệu quả kép (chưngcất thông qua nhiều tầng)

 Các hệ thống chưng cất có kết hợp sức nóng mặt trời: Các loại này thường là loạichưng cất kép, dung tổng hợp năng lượng mặt trời và nhiên liệu để cấp cho quátrình chưng cất

Trang 13

tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30.000 USD) đưa bếp NLMT vào sư dụng ở cácvùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càngđược đông đảo nhân dân ủng hộ.

Hình 1.8:Bếp nấu năng lượng mặt trời ở Đức

1.5.7 Động cơ Stirling chạy bằng NLMT.

Trang 14

Hình 1.9 : Động cơ Stirling

Động cơ Stirling dùng ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơStirling ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạthay tưới cây ở các nông trại Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đãđược nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế Như động cơ Stirling, bơmnước dùng năng lượng mặt trời

1.5.8 Thiết bị làm lạnh, điều hoà không khí bằng NLMT

Trong số nhưng ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứngdụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớnnhất, đặc biệt là ở nhưng vùng xa xôi hẻo lánh thuộc các nước đang phát triển không cólưới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập của người dân Với máy lạnhlàm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời là thuận tiệnnhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao Ngoài ra, các hệthống lạnh còn được sư dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loạithiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế

1.6 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI

1.6.1 Cao ốc văn phòng sử dụng năng lượng mặt trời

Trang 15

Hình 2.1 Tòa nhà Sun and the Moon Altar (Trung Quốc

Cao ốc được xây dựng ở thành phố Đức Châu, tỉnh Sơn Đông, Tây bắc Trung Quốc Tòanhà rộng 75.000m2 được thiết kế dạng cấu trúc đồng hồ mặt trời và đáp ứng yêu cầu sưdụng năng lượng tái sư dụng để thay thế các loại nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môitrường Tòa nhà cung cấp không gian cho các trung tâm triển lãm, khu vực nghiên cứu,trung tâm hội họp và huấn luyện và một khách sạn

1.6.2 Cầu đi bộ sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 2.2 Cầu đi bộ Kurilpa

Cầu sư dụng hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED được lập trình để tạo ra một loạt các

Trang 16

panel mặt trời phát điện với công suất khoảng 100KW/giờ mỗi ngày và trung bình38MW/giờ mỗi năm Lượng điện thừa có được từ các panel mặt trời se được chuyểnsang cho mạng lưới điện quốc gia (hệ thống đèn LED chỉ sư dụng 75% điện năngmặt trời).

1.6.3 Tàu 3 thân

Hình 2.3 Thuyền Planet Solar

Tàu dài 30m, rộng 15m và các tế bào năng lượng mặt trời được lắp trên phần nóc rộng 508m2 Các panel mặt trời có khả năng sản xuất ra 1.000 watt điện mỗi ngày Lượng điệnthừa ra se được trư trong nhưng bình điện giúp chiếc tàu nặng 58 tấn này tiếp tục hành trình mà không cần ánh nắng mặt trời trong vòng 3 ngày Tàu chạy với tốc độ khoảng 18km/giờ

Đây cũng chính là con thuyền đã xuất phát từ Monte Carlo (Monaco) vào ngày

27/9/2010, để thực hiện cuộc hành trình vòng quanh thế giới với thông điệp về chống biến đổi khí hậu Trên hành trình du ngoạn, Planet Solar đã ghé qua thành phố biển Nha Trang (Việt Nam) vào ngày 29/8/2011 và lưu lại đây đến ngày 1/9/2011

1.6.4 Sân vận động World Games (Đài Loan)

Trang 17

Hình 2.4 Sân vận động World Games (Đài Loan)

Với sức chứa 55.000 khán giả, tọa lạc trên một khu đất với diện tích 19 hectaở thành phố Cao Hùng (Kaohsiung), Sân vận động siêu hiện đại trị giá 5 tỉ USD cóphần mái cực rộng 14.155m2 lắp đặt 8.844 panel mặt trời và tạo ra điện năng 1,14triệu KW/giờ mỗi năm giúp giảm bớt 660 tấn khí thải carbon dioxide vào bầu khíquyển trong một năm, đủ để cung cấp điện cho 3.300 bóng đèn, 2 màn hình tivi

khổng lồ và hệ thống phát thanh trong sân

1.6.5 Nhà máy điện mặt trời PS20 (Tây Ban Nha)

PS20 bao gồm 1.255 tấm gương lớn có thể di chuyển được (còn gọi là kínhđịnh nhật) Mỗi kính định nhật rộng hơn 350 m2 và tổng diện tích kính bao phủ toànbộ khu vực là khoảng 155.000 m2

Hình 2.5 Nhà máy điện mặt trời PS20 (Tây Ban Nha)

Định dạng
Số trang	35
Dung lượng	23,5 MB