Chương 2: Năng lượng mặt trời

Chương 2: Bài giảng về năng lượng mặt trời Môn năng lượng tái tạo 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời 2. Cấu trúc của mặt trời 3. Mối quan hệ giữa mặt trời và trái đất 4. Bức xạ mặt trời 5. Hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng 6. Kết luận

Trang 1

DĐ: 0976452820

Trang 2

1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

2 Cấu trúc của mặt trời

3 Mối quan hệ giữa mặt trời và trái đất

Trang 3

25/05/20 3

Phần lớn những nguồn năng lượng tái tạo đều khởi

nguồn từ năng lượng mặt trời.

• Công suất mà năng lượng mặt trời chiếu xuống trái đất khoảng 174

triệu tỷ Watt/năm

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Trang 4

 Là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời

 Công suất NL mà mặt trời chiếu xuống trái đất vào

khoảng 174 triệu tỷ Watt (công suất nhà máy nhiệt điện

Phả Lại khoảng 1 tỷ Watt)

 Tổng tiêu thụ NL của con người trên thế giới (gồm:dầu hỏa, than đá, thủy điện, v.v.) khoảng 15 nghìn tỷ Watt, tức là chỉ bằng khoảng 1/10000 công suất dự trữ của

năng lượng mặt trời cho trái đất

năng lượng mặt trời.

25/05/20

1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

Trang 5

 NL mặt trời lớn và rất quan trọng đối với sự phát triển của con người, khi năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt

tận,sạch, Tuy nhiên, nó có tính phân tán,phân bổ không đều phụ thuộc vào vị trí địa lý,mùa,thời tiết

 Bức xạ mặt trời đi vào lớp khí quyển trái đất sẽ bị hấp thụ và phản xạ một phần, khi đến bề mặt trái đất cường

độ bức xạ yếu đi

 Bức xạ mặt trời, gồm:bức xạ trực tiếp (trực xạ) và một phần bức xạ bị hấp thụ và phản xạ trên đường đi (tán xạ) và cường độ bức xạ lớn nhất ở mặt đất vào mùa hè khoảng 1000 W/m2.

Trang 6

 Hiện nay, việc sử dụng năng lượng mặt trời có bốn phương thức cơ bản:

 Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt năng

 Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành trực tiếp thành điện năng

 Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hóa năng: Hiệu ứng quang hóa

 Chuyển đổi năng lượng mặt trời qua hiệu ứng quang hợp

 Tùy theo phương thức chuyển đổi mà có thiết bị thích hợp

Trang 7

Xu thế phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới

Trang 8

 Đức: dẫn đầu về khai thác sử dụng năng lượng mặt trời,đạt

32GW (2015) và hướng đến 100% năng lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo vào năm 2050

 Ý: đạt 5,5% tổng nhu cầu điện năng của Ý vào năm 2015

 Nhật Bản: khai thác sử dụng năng lượng mặt trời,đặc biệt là

sau thảm họa Fukushima (2011), tổng công suất năng lượng mặt trời đạt 15,6 GW

 Hoa Kỳ: đạt 8 GW công suất lắp đặt điện từ năng lượng mặt

trời vào năm 2015

 Tây Ban Nha: đạt 3,5 GW, là quốc gia sản xuất công nghệ

năng lượng mặt trời lớn thứ tư trên thế giới và xuất khẩu 80% cho Đức

 Trung Quốc: từ 2012-2015 năng lượng mặt trời đạt 21GW

 Ngoài ra có một số quốc gia khác: Pháp, Cộng hòa Séc,

Bỉ, Úc

Trang 9

Phân bố bức xạ và tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Trang 10

 Để kinh tế tăng trưởng bền vững, đặc biệt là sự cạn kiện của nguồn nhiên liệu hóa thạch, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu, Từ 2015-2017, Việt Nam ghi nhận có nhiều dự án điện mặt trời bởi các nhà đầu tư nước ngoài : Tata Power công suất 300

MW (Hà Tĩnh), Hanwha công suất 100-200 MW (Thừa Thiên Huế),GT&Associates và Mashall & Street Ltd công suất 150 MW (Quảng Nam)

 Năm 2018, có 272 dự án nhà máy điện mặt trời với tổng công suất khoảng 17.500 MW, gấp 9 nhà máy thủy điện Hòa Bình và gấp 7 lần nhà máy thủy điện Sơn La

Trang 11

Quang năng-Quang hợp

Trang 13

25/05/20 13

Điện mặt trời : biến đổi quang năng  điện năng

Biến đổi trực tiếp : tế bào quang điện Biến đổi gián tiếp : nhiệt điện ( nồi supde )

Quang điện : Bản bằng Silicium đơn hay đa tinh thể

Đời sống ~ 20 năm Hiệu xuất thấp ~16 %

Trang 14

25/05/20 14

Trang 16

25/05/20 16

Một số ứng dụng khác

Trang 17

Xe đua Nuna3

Trang 18

Helios UAV trong chuyến bay sử dụng năng lượng mặt trời

Trang 19

25/05/20 19

Đặc điểm:

 Nguồn năng lượng vô tận, xanh, sạch không gây ô nhiễm, có khắp mọi nơi

 Giá vận hành khá thấp, rất thích hợp cho những vùng sâu,vùng xa

 Giá đầu tư ban đầu cao

 Hiệu suất các pin quang điện còn thấp ( 15% )

 Vấn đề lưu trữ năng lượng ( ~ 30% giá thành )

 Vấn đề phát sinh rác thải từ những ắc quy hỏng

 Khó cạnh tranh về kinh tế ( giá tiền /kWh)

 Phụ thuộc khí hậu, thời tiết, …

Trang 20

 Mặt trời là khối khí nóng khổng lồ với d=1,39.106km, cách Trái đất 150 106km và có khối lượng khoảng 2.1030kg, nhiệt độ bề mặt của nó khoảng 6.000K,ở trung tâm khoảng 15,6.106K

 Mặt trời được xem là lò phản ứng nhiệt hạch rất lớn, hoạt động liên tục và truyền bức xạ năng lượng vào trong vũ trụ nên khối lượng của mặt trời sẽ giảm dần

 Chu kỳ MT tự quay quanh trục của nó khoảng 27-30 ngày

2 Cấu trúc của mặt trời

Trang 21

25/05/20 21

Trang 23

 Lõi MT: có 0-0,23R, chứa 40% khối lượng MT, nhiệt độ TB 15,6 triệu độ và 90%năng lượng được sinh ra từ đây

phần lõi ra bên ngoài, nhiệt độ giảm dần (khoảng 130 nghìn độ)

ra liên tục các tia bức xạ, đây là nguồn gốc của mọi bức xạ MT

thể được quan sát nhật thực, nguyệt thực bằng các dụng cụ quang học

Trang 24

3.Quan hệ mặt trời và trái đất

a Góc nhìn của trái đất đối với mặt trời

Do trái đất rất xa mặt trời nên góc nhìn của trái đất đối với mặt trời chỉ 32’ ,vì vậy có thể xem các tia bức xạ của mặt trời chiếu lên trái đất là song song

Trang 25

b Góc lệch giữa trục trái đất và mặt phẳng hoàng đạo

Là góc lệch giữa trục trái đất với mặt phẳng hoàng đạo (thay đổi theo từng ngày trong năm) Góc lệch được xác định theo công thức Cooper như sau:

+ n: số thứ tự ngày trong năm tính từ ngày 1/1

+>0 trục lệch về hướng bắc ứng với ngày 21/3-21/9

+<0 trục lệch về hướng hướng nam, từ 21/9-21/3

+ Các ngày đặc biệt có = 0, trục quay TĐ vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo:

21/3: ngày xuân phân 21/6: ngày hạ chí

21/9; ngày thu phân 21/12: ngày đông chí

Trang 26

b Góc lệch giữa trục trái đất và mặt phẳng hoàng đạo

Ví dụ:

c Góc vĩ độ : Là góc tương ứng với vĩ độ về phía Bắc hoặc về phía

Nam đường xích đạo

Trang 27

d Góc giờ mặt trời :

 Là góc xác định vị trí của mặt trời trên bầu trời tại một thời điểm bất kỳ từ

lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn.Quy ước mặt trời ở thiên đỉnh có  = 0

(12h), buổi sáng  < 0, chiều  > 0

 Mỗi giờ trái đất quay quanh trục của nó được 360/24=15°, mỗi phút kinh tuyến ứng với 4 phút giờ trái đất (24.60/360=4’) Tại một thời điểm bất kỳ buổi sáng lấy giá trị âm, buổi chiều giá trị dương

Trang 28

Mặt trời

Thiên đỉnh

Góc thiên đỉnh  z:góc lệch giữa phương của tia MT và pháp tuyến của mặt phẳng nằm ngang

Góc tới : góc giữa tia MT truyền tới

bề mặt và pháp tuyến của bề mặt nghiêng khảo sát

Góc phương vị mặt trời  s :góc lệch

của hình chiếu tia MT lên mf nằm ngang với hướng Nam Khi MT hướng chính Nam thì s= 0, MT ở phía Đông

s< 0; phia Tây s > 0 -180 0 ≤s ≤

180 0

Góc phương vị bề mặt : góc lệch của pháp tuyến bề mặt với đường kih tuyến:-1800 ≤ ≤180 0

Trang 29

Mặt trời

Thiên đỉnh

d.Các góc mặt trời trên mặt phẳng nghiêng Quan hệ giữa các góc:

Trang 30

d.Các góc mặt trời trên mặt phẳng nghiêng

Trang 31

4 Bức xạ mặt trời

 Quá trình phản ứng nhiệt hạch 1 phần khối lượng Mặt trời bị mất đi để sinh ra nhiệt.Khối lượng của Mặt trời mỗi giây giảm khoảng 4,106 tấn

 Qua nghiên cứu cho thấy cứ mỗi giây Mặt trời giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng điện năng sản xuất trong một năm trên Trái đất

gian với phổ rộng,gồm:tia tử ngoại (4.10-3 - 0,38m) chiếm 8,7%,ánh sáng nhìn thấy (0,38- 0,78m) chiếm khoảng 44,6%,hồng ngoại (= 0,78 -103 m) chiếm 45,4%.

Trang 32

Trang 33

25/05/20 33

Trang 34

25/05/20 34

Trang 35

A Bức xạ mặt trời trong không gian bên ngoài khí quyển trái đất:

Kết quả đo đạc từ các vệ tinh cho thấy mật độ dòng năng lượng từ mặt trời

ở phía ngoài khí quyển trái đất có thể xem không đổi và được tính theo công thức Stefan-Boltzman như sau:

Trang 36

A Bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang ở bên ngoài khí quyển trái đất:

Quả đất quay quanh mặt trời theo hình elip , nên khoảng cách giữa chúng có thay đổi trong 1 chu kỳ (365 ngày) Do đó bức xạ mặt trời tới mặt phẳng nằm ngang bên ngoài khí quyển TĐ được xác định theo công thức sau:

Trang 37

Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất: Tổng cường độ bức xạ mặt

trời lên bề mặt trái đất (tổng xạ) gồm hai thành phần: bức xạ trực xạ và tán xạ Tán

xạ có thể chia ra

Các thành phần tán xạ trong vùng khí quyển trái đất

Trang 38

 Bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nằm ngang trên trái đất E là tổng của bức xạ trực xạ Eb, ba thành phần bức xạ tán xạ gồm Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ phản xạ từ các bề mặt lân cận Er

E = Eb + Ed1+ Ed2 + Ed3 + Er

Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất:

 Việc tính toán các thành phần tán xạ là rất phức tạp Vì vậy người ta giả thiết tổng bức xạ tán xạ từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt Như vậy, tổng xạ trên bề mặt ngang sẽ là tổng của trực xạ Eb và tán xạ trên mặt nằm ngang Ed

E = Eb + Ed

Trang 39

Trang 40

Khi đó một bề mặt nghiêng tạo góc  so với phương nằm ngang sẽ có tổng xạ E gồm 3 thành phần:

Trong đó:

(1 + cos)/2 là hệ số góc nhìn tán xạ từ mặt thu về phía bầu trời;

(1 - cos)/2 là hệ số góc nhìn tán xạ từ bề mặt thu về phía mặt đất

E =Eb+ Ed tổng xạ trung bình đo được trên bề mặt nằm ngang; kWh/m2/ ngày Eb: Thành phần trực xạ trong tổng xạ đo được, lấy theo số liệu đo ( ví dụ: Nam

Trang 41

3 Bức xạ mặt trời CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Rb:Hệ số chuyển đổi bức xạ từ mặt ngang sang mặt nghiêng được tính theo công thức:

Trong đó:

En: Cường độ bức xạ mặt trời tới theo phương bất kỳ,

Ebng: Bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt nằm ngang

Ebngh: Bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng,

cos và cosZ : Là các góc được biểu diễn như hình dưới:

cos coscos cos

Trang 42

5 Các dạng sử dụng năng lượng mặt trời

Nhiệt MT

Điện nhiệt MT Điện pin MT

Trang 43

4.1 Sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời

1 Bình đun nước nóng mặt trời (Dạng tấm phẳng):Đây là loại bộ thu các

tia trực xạ và tán xạ Không tập trung năng lượng bằng cách hội tụ nên nhiệt

độ không cao, được dùng để sản xuất nước nóng sử dụng trong sinh hoạt gia đình và các xí nghiệp chế biến thực phẩm, nước giải khát, sử dụng để sấy nông lâm hải sản, chưng cất nước mặn thành nước ngọt

Trang 44

2 Đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (Dang ống chân không – Collector):

 Collector gồm hai ống thủy tinh đồng trục lồng vào nhau, ống trong phủ lớp vật liệu hấp thụ tia bức xạ cao, ống ngoài làm nhiêm vụ tấm phủ và chống tổn thất nhiệt.Giữa hai lớp là chân không để hạn chế trao đổi nhiệt đối lưu.

 Bức xạ mặt trới chiếu lên lớp ngoài, gần hết năng lượng xuyên vào đến mặt trong, bị hấp thụ bởi lớp chất hấp thụ và truyền nhiệt cho nước Sơ đồ lưu động tự nhiên như ở hình dưới:

4.1 Sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời

Trang 45

4.1 Sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời (Sưởi ấm)

Trang 46

4.1 Sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời (Nấu ăn)

Trang 47

4.1 Sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời (Nấu ăn)

Trang 48

4.2 Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

Năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng theo 2 phương pháp cơ bản:

1 Bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi các bộ thu trung tâm Sau đó

nhiệt năng này chuyển đổi thành điện năng theo một trong các chu trình sau:

 Chu trình Rankine: hơi nước hoặc chất lỏng khác được chọn là môi chất công tác

 Chu trình Rayton:Heli hoặc không khí được chọn là môi chất công tác

 Hệ thống Hybrid…

2 Chuyển đổi quang điện: là chuyển đổi trực tiếp quang năng thành điện năng, thông qua các tế bào chuyển đổi năng lượng bức xạ photon thành điện năng (không cần bất kỳ 1 chu trình nhiệt động nào) Các tế bào quang điện thường được chế tạo từ các vật liệu như:

 Silicon đơn tinh thể; đa tinh thể

 Phim mỏng được chế tạo từ các hợp chất hóa học hoặc kết hợp giữa chúng

Trang 49

1 Chuyển đổi nhiệt- điện dạng trung tâm

Nguyên tắc hoạt động:

 Bức xạ nhiệt mặt trời được tiếp nhận bởi hệ thống các kính định nhật (heliostats), sau đó phản xạ tập trung vào trung tâm nhận nhiệt đặt trên đỉnh tháp

 Môi chất công tác của trung tâm nhận nhiệt là nước (hoặc dầu) được gia nhiệt, chuyển thành dạng hơi nhiệt độ cao, sau đó được đưa vào giãn

nở trong tuabin Công dãn nở này sử dụng để làm quay rô to (phần cảm) của máy phát điện

 Hệ thống được kết hợp với bộ tích nhiệt để lưu trữ nhiệt nhằm vận hành máy phát điện vào ban đêm hoặc trơi nhiều mây…

Trang 50

CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4.2 Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

Trang 51

CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4.2 Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

Trang 52

CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Trang 53

Trang 56

Bán dẫn loại p (positive- dương)

Tạp chất là các nguyên tố thuộc

nhóm III (B,Al,Ga,In,Tl), dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống

Bán dẫn loại n (Negative-âm), tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V (N,P,As,Sb,Bi)

Chất bán dẫn loại p Chất bán dẫn loại n

Chất quang dẫn là chất dẫn điện tốt khi được chiếu sáng thích hợp , như:Ge, Si, CdS (cađimi sunfua),

và thường là chất bán dẫn.

Trang 57

Hiện tượng tạo ra các electron dẫn và

lỗ trống trong bán dẫn,do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp

Trang 58

Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện trong

1

2

Trang 61

Khi chiếu a/s thích hợp vào lớp KL mỏng ở trên cùng thì a/s sẽ xuyên qua lớp KL này vào lớp bán dẫn p,

Trang 64

E

Trang 65

cap

E

Trang 66

Thiết kế hệ thống điện mặt trời

Trang 67

Các bước thiết kế hệ thống điện

Tính toán kích thước tấm pin mặt trời cần sử dụng

Bước

Trang 68

Các bước thiết kế hệ thống điện

Tính toán bộ

biến tần thống dự trữ Tính toán hệ

điện năng

Thiết kế hệ thống sử dụng năng lượng điện

Bước

Trang 70

Chi phí làm lắp đặt pin lớn Tuỳ thuộc vào vị trí đặt pin

Không sử dụng được vào ban đêm

Trang 71

CÁM ƠN CÁC ĐỒNG CHÍ

ĐÃ LẮNG NGHE CÁM ƠN CÁC ĐỒNG CHÍ

ĐÃ LẮNG NGHE

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	9,74 MB