Giáo trình nguyên lý kỹ thuật năng lượng mặt trời (bản dịch lưu hành nội bộ, xuất bản lần thứ nhất

Không thể chỉ có một cách giải quyết cho một nhiệm vụ cho trước trong việc sử dụng năng lượng mặt trời, và mỗi vấn đề phải được phân tích riêng biệt từ những nguyên tắc cơ bản.. Trong kh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

GIÁO TRÌNH NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

(Bản dịch Lưu hành nội bộ, xuất bản lần thứ nhất)

Tác giả: D YOGI GOSWAMI, FRANK KREITH, JAN F KREIDER

Biên dịch từ tiếng Anh:

Bộ môn Thủy điện & Năng lượng tái tạo

HÀ NỘI – 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo sinh viên hệ đại học chuyên ngành "Năng lượng tái tạo" của Trường Đại học Thủy lợi cũng như của các ngành liên quan, các giảng viên của Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo đã tiến hành Biên dịch cuốn sách

này từ bản tiếng Anh: D Yogi Goswami, Frank Kreith, Jan F Kreider (2000) Principles of Solar Engineering.

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự hợp tác, giúp đỡ, động viên từ các cơ quan

liên quan, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình trong quá trình thực hiện biên dịch.

Bản dịch được xuất bản lần đầu tiên nên không tránh khỏi sai sót, do vậy kính mong nhận được phản hồi và ý kiến đóng góp xây dựng của các đọc giả Các ý kiến xin gửi về:

Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo;

Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Hà Nội;

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp quý giá của quý đọc giả để cuốn sách được hoàn thiện hơn.

Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo

MỤC LỤC

Chương 1 Giới thiệu về chuyển đổi năng lượng mặt trời 1

Chương 2 Cơ sở bức xạ mặt trời 12

2.1 Tính chất vật lý của mặt trời và truyền tải năng lượng 12

2.2 Cơ sở bức xạ nhiệt 13

2.2.1 Bức xạ vật đen tuyệt đối 14

2.2.2 Bảng hàm bức xạ 15

2.2.3 Cường độ bức xạ và hệ số hình dạng 18

2.2.4 Truyền Bức xạ qua một Môi trường 21

2.3 Mối quan hệ hình học mặt trời và trái đất 21

2.3.1 Thời gian và góc mặt trời 28

2.3.2 Sơ đồ quỹ đạo mặt trời 37

2.3.3 Thước đo Bóng- Góc 38

2.4 Bức xạ mặt trời 41

2.4.1 Bức xạ mặt trời ngoài trái đất 43

2.5 Ước tính bức xạ mặt trời trên trái đất 45

2.5.1 Sự suy giảm Khí quyển của Bức xạ mặt trời 48

2.5.2 Bức xạ mặt trời vào những ngày quang đãng 48

2.5.3 Bức xạ mặt trời lên một mặt phẳng nghiêng 50

2.5.4 Mô hình Ước tính Bức xạ Mặt trời Hàng tháng 54

2.6 Mô hình dựa vào bức xạ mặt trời lên bề mặt ngang được đo trong một thời gian dài 59

2.6.1 Bức xạ mặt trời hàng tháng lên bề mặt nghiêng 59

2.6.2 Vòng quay mặt trời hay bức xạ mặt trời khuyếch tán dị hướng 63

2.6.3 Bức xạ mặt trời hàng ngày lên bề mặt nghiêng 64

2.6.4 Bức xạ mặt trời hàng giờ lên bề mặt nghiêng 65

2.7 Đo lường bức xạ mặt trời 67

2.7.1 Tthiết bị đo lường bức xạ mặt trời và nắng 67

2.7.2 Thiết bị dò cho thiết bị đo bức xạ mặt trời 71

2.7.3 Đo lường khoảng thời gian chiếu nắng 71

2.7.4 Đo lượng bức xạ mặt trời theo phổ 73

2.7.5 Đo lường phổ dải rộng 74

2.7.6 Dữ liệu bức xạ mặt trời 76

2.8 Lập bản đồ bức xạ mặt trời sử dụng dữ liệu từ vệ tinh 76

2.8.1 Ước tính nguồn mặt trời từ dữ liệu vệ tinh 78

Chương 3 Các phương pháp thu và biến đổi nhiệt mặt trời 83

3.1 Các tính chất bức xạ và các đặc tính của các loại vật 84

3.1.1 Các bề mặt được chọn lọc 87

3.1.2 Các bề mặt phản xạ 87

3.1.3 Các vật liệu trong suốt 89

3.2 Các bộ thu dạng tấm phẳng 92

3.2.1 Các bộ thu loại chẩt lỏng 92

3.2.2 Bộ thu loại khí 93

3.2.3 Các lớp kính 94

3.2.4 Sự cân bằng năng lượng đối với bộ thu dạng tấm phẳng 96

3.2.5 Phân tích nhiệt của tấm hấp thụ-bộ thu dạng tấm phẳng 103

3.2.6 Nhân tố hiệu suất bộ thu 106

3.2.7 Nhân tố khử nhiệt của bộ thu 108

3.2.8 Các hiệu ứng chuyển tiếp 112

3.2.9 Sự phân tích nhiệt của bộ thu dạng tấm phẳng để làm mát không khí 115

3.3 Các bộ thu năng lượng mặt trời hình ống 118

3.3.1 Các bộ thu hình ống đã được rút chân không 118

3.3.2 Phân tích nhiệt của bộ thu hình ống 120

3.4 Kiểm tra thử nghiệm của các bộ thu 121

3.4.1 Các tiêu chuẩn kiểm tra đối với các bộ thu nhiệt mặt trời 125

3.5 Các bộ thu nhiệt mặt trời tập trung 126

3.5.1 Các giới hạn nhiệt động lực học đối với quá trình tập trung 127

3.5.2 Các giới hạn quang về sự tập trung 131

3.5.3 Sự chấp nhận của bức xạ khuyếch tán 132

3.5.4 Các sơ đồ vẽ tia 132

3.5.5 Các loại bộ tập trung 136

3.5.6 Các bộ tập trung cố định 136

3.6 Bộ tập trung với khay hình parabol (PTC) 137

3.6.1 Phân tích quang học của bộ PTC 138

3.6.2 Các hiệu ứng tới không vuông góc 145

3.6.3 Khả năng hoạt động nhiệt của bộ thu PTC 145

3.7 Các bộ tập trung nhiệt mặt trời cong hai chiều 146

3.7.1 A Các bộ tập trung hình parabol 146

3.7.2 Các bộ tập trung hình cầu 150

3.7.3 Bộ tập trung hình parabol kép 154

3.7.4 Phân tích quang của bộ thu CPC 154

3.7.5 Khả năng hoạt động nhiệt của bộ thu CPC 158

3.8 Bộ thu có bộ nhận trung tâm 161

3.8.1 Hệ thống kính định nhật 162

3.8.2 Bộ nhận 163

3.8.3 Bản thiết kế hệ thống gương 165

3.9 Các bộ phản xạ Fresnel và các thấu kính 169

Chương 4 Lưu trữ và vận chuyển năng lượng nhiệt 181

4.1 Lưu trữ nhiệt (TES) 181

4.2 Các loại lưu trữ nhiệt năng 184

4.2.1 Lưu nhiệt cảm biến 184

4.2.2 Lưu nhiệt ẩn 186

4.2.3 Lưu năng lượng nhiệt hoá 186

4.3 Thiết kế hệ thống lưu trữ 188

4.3.1 Lựa chọn chất liệu 188

4.3.2 Thiết kế bình chứa 189

4.3.3 Thiết kế bộ trao đổi nhiệt 190

4.4 Hệ thống phụ truyền năng lượng 194

4.4.1 Hệ thống ống dẫn 194

4.4.2 Giảm áp suất 194

4.4.2 Các bộ trao đổi nhiệt 202

Chương 5 Hệ thống làm nóng sử dụng năng lượng mặt trời 217

5.1 Các phép tính tải nhiệt và nước nóng trong các toà nhà: 217

5.1.1 Tính toán lượng nhiệt tiêu hao: 219

5.1.4 Phương pháp tính tải nhiệt nước nóng dùng trong công nghiệp: 227

5.2.2 Hệ thống dòng lưu thông cưỡng bức: 232

5.2.3 Hệ thống cung cấp nhiệt trong qui trình công nghiệp 234

5.3.Hệ thống làm nóng bằng năng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng: 234

5.3.1 Kết cấu của hệ thống nhiệt bằng năng lượng mặt trời chủ động 235

5.3.2 Hướng bộ thu ánh nắng mặt trời: 237

5.3.3 Tỷ lệ dòng chất lỏng: 237

5.3.4 Bình chứa nhiệt: 238

5.3.5 Các bộ phận cơ khí khác: 240

5.3.6 Các thiết bị điều khiển trong hệ thống chất lỏng: 240

5.3.7 Các thiết bị tải trong hệ thống làm nóng bằng năng lượng mặt trời dùng chất lỏng: 241

5.4 Hệ thống làm nóng không khí bằng năng lượng mặt trời 244

5.4.1 Kết cấu của hệ thống làm nóng: 244

5.4.2 Thiết kế của bộ thu ánh nắng mặt trời: 246

5.4.3 Tỷ lệ dòng chất lỏng: 246

Chương 6 Quá trình làm lạnh và hút ẩm sử dụng năng lượng mặt trời 247

6.1 Qúa trình làm mát và làm lạnh không gian sử dụng năng lượng mặt trời 247

6.1.1 Các yêu cầu làm lạnh trong toà nhà 249

6.1.2 Chu trình nén hơi 253

6.1.3 Điều hoà không khí hấp thụ 257

6.1.4 Phương trình Cân bằng khối lượng 263

6.2 Hút ẩm bằng năng lượng mặt trời 272

6.2.1 Hệ thống làm mát sử dụng chất khử nước rắn 273

6.2.2 Hệ thống làm lạnh sử dụng chất làm lạnh lỏng 275

Chương 7 Các biện pháp thụ động để đốt nóng, làm mát và chiếu sáng tự nhiên 284

7.1 Giới thiệu: 284

7.1.1 Khái niệm “hệ thống thụ động” 284

7.1.2 Các ứng dụng hiện nay: 284

7.1.3 Cơ sử kinh tế của hệ thống thụ động: 285

7.2 Hệ thống làm nóng thụ động: 285

7.2.1 Các kiểu hệ thống làm nóng thụ động: 285

7.2.4 Cấp độ thứ nhất: Các qui tắc cơ bản: 290

7.2.5 Cấp độ thứ hai: Phương pháp LCR 292

7.2.6 Cấp độ thứ ba: Công thức tính SLR 293

7.3 Hệ thống làm mát không gian thụ động 295

7.3.1 Kiểm soát năng lượng mặt trời ở đầu vào: 295

7.3.3 Làm mát bằng phương pháp bay hơi: 298

7.3.4 Hệ thống làm mát ban đêm: 298

7.3.5 Làm mát tiếp bằng cách tiếp xúc với mặt đất (hoặc làm nóng) 300

7.4 Các cơ sở cho việc chiếu sáng tự nhiên: 304

7.4.1 Tính kinh tế của chiếu sáng tự nhiên: 304

7.4.2 Các cơ sở cho các thiết kế chiếu sáng tự nhiên: 306

7.4.3 Các phương pháp thiết kế: 308

7.4.4 Phương pháp lumen trong chiếu sáng bên: 308

7.4.5 Phương pháp tính lumen cho ánh sáng bầu trời: 314

Chương 8 Năng lượng nhiệt từ mặt trời và nhiệt quá trình 326

8.1 Lịch sử phát triển 326

8.2 Nhiệt quá trình công nghiệp sử dụng năng lượng mặt trời 329

8.3 Những ví dụ về hệ thống SIPH 333

8.3.1 SIPH cho ngành công nghiệp dệt may 337

8.3.2 Hệ thống SIPH cho quá trình chế biến sữa 339

8.4 Hoạt động lâu dài của hệ thống SIPH 341

8.4.1 Hệ số cường độ năng lượng mặt trời giới hạn X 341

8.4.2 Khả năng sử dụng 342

8.4.3 Tính toán mẫu 344

8.4.4 Khoảng thời gian thu (∆tc) 345

8.4.5 Vận hành hệ thống thu có bộ lưu trong thời gian dài 346

8.5 Chương trình phỏng mô hình máy tính TRNSYS 350

8.6 Nhiệt năng 350

8.6.1 Chu trình hơi nước 350

8.6.2 Các thiết bị của nhà máy điện hơi nước 359

8.6.3 Lựa chọn các dòng sinh công 361

8.7 Các ví dụ về nhà máy nhiệt điện chu trình hơi nước dùng năng lượng mặt trời 363

8.7.1 Nhà máy điện dùng mặt thu lõm hình parabol 363

8.7.2 Hệ thống bộ thu trung tâm 364

8.7.3 Các hệ thống chảo hình parabol 368

8.8 Chu trình Stirling 370

8.8.1 Nhiệt động học của chu trình Stirling 372

8.8.2 Pittông và bộ truyền động luân chuyển 375

8.8.3 Các động cơ dùng pittông tự do hay động học 377

8.8.4 Những ví dụ về hệ thống phát điện Stirling bằng năng lượng mặt trời 377

8.8.5 Những thành tựu gần đây trong phát triển chu trình nhiệt điện từ năng lượng mặt trời 381

8.9 Chưng cất nước muối dùng năng lượng mặt trời 386

8.10 Hồ năng lượng mặt trời phi đối lưu 392

8.10.1 Lời giới thiệu 392

8.10.2 Các tiêu chuẩn ổn định hồ mặt trời 394

8.10.3 Hoạt động nhiệt của hồ mặt trời 395

Chương 9 Quang điện 400

9.1 Chất bán dẫn 400

9.1.1 Lớp chuyển tiếp p-n 403

9.1.2 Hiệu ứng quang điện 404

9.2 Phân tích pin quang điện 408

9.2.1Hiệu suất pin mặt trời 413

9.2.2 Pin mặt trời nhiều lớp chuyển tiếp 414

9.2.3Thiết kế hệ thống quang điện 415

9.3 Sản xuất pin và tấm mặt trời 419

9.3.1 Pin đơn tinh thể và đa tinh thể 419

9.3.2 Silicon vô định hình và chế tạo màng mỏng nhiều lớp chuyển tiếp 424

9.4 Thiết kế lắp đặt quang điện ở xa 424

9.4.1 Ước tính tải và định thời tải 425

9.4.2 Ước tính bức xạ mặt trời có thể dùng được 427

9.4.3 Điều chỉnh kích thước của hệ thống PV 427

Chương 10 Ứng dụng quang hóa mặt trời 435

10.1 Phản ứng quang xúc tác 435

10.2 Phản ứng khử độc dùng quang phân mặt trời 439

10.3 Lò phản ứng mặt trời 439

10.3.1 Lò phản ứng tập trung 440

10.3.2 Lò phản ứng không tập trung 441

10.3.4 Lò phản ứng dạng ống 443

10.3.5 Bể mặt trời nông 443

10.3.6 Màng trượt 446

10.5 Chiếu sáng có ích 452

10.6 Phát triển chất xúc tác 453

10.7 Phương pháp thiết kế hệ thống 454

10.7.1 Nghiên cứu xử lý trong phòng thí nghiệm 455

10.7.2 Kiểu hoạt động của thiết bị xử lý 455

10.7.4 Diện tích lò phản ứng 456

10.7.5 Tuổi thọ của chất xúc tác 459

10.8 Khử độc khí dùng quang xúc tác 459

10.8.1 Lò phản ứng quang hóa 459

10.9 Các ứng dụng thương mại/công nghiệp 460

10.10 Khử trùng nước và không khí dùng mặt trời 463

10.11 Tổng kết 463

Chương 11 Thu năng lượng mặt trời qua sinh khối 465

Giới thiệu 465

11.1 Nguyên liệu sinh khối 465

11.1.1 Vật chất thải 465

11.1.2 Cây năng lượng 467

11.1.3 Đặc tính quan trọng của sinh khối 468

11.2 Tính toán về nhiệt động của năng lượng sinh khối 475

11.2.1 Cân bằng khối lượng 475

11.2.2 Cân bằng năng lượng 478

11.2.3 Hiệu suất nhiệt động 483

11.3 Chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu dạng khí 484

11.3.1 Phân hủy yếm khí 484

11.3.2 Khí hóa nhiệt 486

11.4 Nhiên liệu lỏng từ sinh khối 489

11.4.1 Lên men ethanol 489

11.4.2 Tổng hợp Metan bằng phương pháp hóa học 491

11.4.3 Dầu nhiệt phân 492

11.4.4 Dầu thực vật 493

11.5 Chuyển đổi sinh khối thành điện năng 495

11.5.1 Năng lượng hơi nước 495

11.5.2 Chu trình tuabin khí 497

11.5.3 Chu trình pin nhiên liệu 498

11.6 Đánh giá kinh tế 501

11.6.1 Nhiên liệu dạng khí 501

11.6.2 Nhiên liệu dạng lỏng 502

11.6.3 Điện năng 503

Chương 12 Giới thiệu các phân tích kinh tế của năng lượng mặt trời 506

12.1 Tổng quan về tính kinh tế cuả năng lượng mặt trời: 506

12.2 Chi phí trong suốt tuổi thọ của hệ thống: 507

12.3 Các qui tắc phân tích dòng tiền chiết khấu: 508

12.3.1 Giá trị hiện tại được niên hoá: 508

12.3.2 Trả góp: 511

12.4 Chi phí tuổi thọ của hệ thống năng lượng mặt trời: 516

12.4.1 Chi phí ban đầu của hệ thống năng lượng mặt trời: 516

12.4.2 Chi phí trong tương lai của hệ thống năng lượng mặt trời: 517

12.4.3 Chi phí năng lượng mặt trời hàng năm - Các ứng dụng vào khu dân cư 518

12.4.4 Chi phí năng lượng mặt trời hàng năm – Các ứng dụng thương mại 522

12.4.5 Các dòng tiền mặt liên tục: 524

12.5 Phân tích lợi nhuận chi phí và tối ưu hoá 525

12.5.1 Các hàm số sản xuất: 525

12.5.3 Hàm số luỹ thừa: 528

12.5.2 Phương pháp luận tối ưu hoá kinh tế 528

Chương 1 Giới thiệu về chuyển đổi năng lượng mặt trời

Vào năm 1972, chứng nhận trước Uỷ ban Nội các Thượng viện, Qũy khoa học quốc gia phát biểu rằng “ Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng vô tận có thể đáp ứng được một phần đáng kể nhu cầu năng lượng quốc gia nhưng với mức ảnh hưởng tiêu cực tối thiểu tới môi trường Nhiều bằng chứng đã chỉ ra rằng năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mới hứa hẹn nhất ” Mặc dù đã có những đánh giá khích lệ về tiềm năng năng lượng mặt trời, vần cần phải giải quyết những vấn đề về kinh tế, kĩ thuật trước khi sử dụng năng lượng mặt trời trên quy mô lớn Tương lai phát triển năng lượng mặt trời sẽ phụ thuộc vào việc chúng ta giải quyết một số hạn chế nghiêm trọng như thế nào, bao gồm những vấn đề thuộc về khoa học và công nghệ, những hạn chế

về thị trường và tài chính, những hoạt động liên quan đến chính trị và lập pháp ủng hộ việc sử dụng năng lượng truyền thống và năng lượng hạt nhân Ngoài ra, trọng tâm của việc đào tạo kĩ sư cũng thay đổi từ công nghệ nhiên liệu hóa thạch tái tạo sang công nghệ nguồn năng lượng tái tạo Xuất hiện một sự thống nhất chung rằng điều quan trọng nhất của nguồn năng lượng hóa thạch là bức xạ mặt trời Vì vậy, mục tiêu của cuốn sách này là trình bày nền tảng kĩ thuật cơ bản cần thiết cho việc thiết kế và phân tích kinh tế của hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời

Ngầm định rằng độc giả của cuốn sách quen thuộc với nhiệt động học truyền thống, việc truyền nhiệt cơ bản, cơ học chất lỏng và có kiến thức tính toán và phương trình vi phân thông thường Một số thành phần của việc bức xạ, cơ học chất lỏng và việc truyền nhiệt tương ứng đặc biệt với kĩ thuật mặt trời cũng được trình bày trong giáo trình Việc thiết kế và phân tích những hệ thống ứng dụng năng lượng mặt trời được thực hiện theo quan điểm phân tích hệ thống, kết hợp thiết kế kĩ thuật và phân tích kinh tế Không thể chỉ có một cách giải quyết cho một nhiệm vụ cho trước trong việc sử dụng năng lượng mặt trời, và mỗi vấn đề phải được phân tích riêng biệt từ những nguyên tắc cơ bản Trong khi với hệ thống sử dụng nguồn nhiên liệu thông thường như than đá hoặc khí, người ta có thể xác định rõ nhu cầu năng lượng và nhiệt và nhà sản xuất sẽ có thể đáp ứng được những nhu cầu đó với một thiết bị được đảm bảo để đáp ứng những yêu cầu cụ thể đó, trong việc thiết kế một hệ thống mặt trời, cần phải phối hợp nguồn năng lượng có sẵn với nhiệm vụ hiện giờ Chính vì vậy, không thể đưa ra một trường hợp chung chung về việc ủng hộ hay chống lại việc sử dụng năng lượng mặt trời Thay vào đó, người kĩ sư cần phải nhìn nhận, xét đoán về những vấn đề cơ bản liên quan đến công việc phải thực hiện, hệ thống và nguồn có sẵn để tìm ra giải pháp kĩ thuật và giải quyết vấn đề kinh tế liên quan

Biến đổi nhiệt

Biến đổi nhiệt là một hệ thống công nghệ ứng dụng một hiện tượng quen thuộc Khi bề mặt tối màu được đặt dưới ánh nắng mặt trời, nó hấp thụ năng lượng mặt trời và tăng nhiệt Bộ thu nhiệt mặt trời làm việc trên nguyên tắc này bao gồm một bề mặt hướng về phía mặt trời, chuyển một phần năng lượng nó hấp thụ vào lưu chất làm việc tiếp xúc với nó Để giảm tốn thất nhiệt vào môi trường và để cải thiện hiệu suất của nó, thông thường đặt một hoặc hai tấm kính lên trên bề mặt hấp thụ Loại bộ thu năng lượng mặt trời này gây ra tổn thất nhiệt do bức xạ và đối lưu Mức

độ tổn thất càng nhiều khi nhiệt độ của dòng lưu chất làm việc tăng Những phương pháp cải thiện như sử dụng bề mặt chọn Rút chân không bộ thu để giảm tổn thất nhiệt và sử dụng những loại kính đặc biệt để tăng hiệu suất của những thiết bị này

Thiết bị bảo tồn nhiệt đơn giản được miêu tả trên đây được gọi là bộ thu tấm phẳng Ngày nay chúng có sẵn trên thị trường và mức nhiệt độ thu được lên tới xấp xỉ 365K(2000F).Những bộ thu này chủ yếu phù hợp cho việc cung cấp nước nóng sử dụng và làm ấm không gian và bộ thu này còn có thể dùng để vận hành hệ thống điều hòa nhiệt độ loại hấp thụ

Việc sử dụng nhiệt của hệ thống mặt trời với mục đích sản sinh nhiệt có nhiệt độ thấp hiện giờ có tính khả thi về kĩ thuật và có khả năng về mặt kinh tế trong việc tạo nước nóng và làm ấm

bể bơi Ở một số nơi trên thế giời, nhiệt có nhiệt độ thấp còn được ứng dụng phổ biến cho việc sưởi ấm và làm mát ngôi nhà

Việc sản xuất nhiệt có nhiệt độ làm việc cao hơn khi cần thiết, ví dụ để vận hành một động

cơ hơi nước truyền thống, yêu cầu sử dụng thiết bị tập trung cùng với một thiết bị nhận- hấp thụ

cơ bản Cũng đã thu được nhiệt độ làm việc cao đến 4000K (6740OF), và việc sản sinh hơi nước

để vận hành bơm cho mục đích tưới tiêu cũng đã chứng minh tính khả thi công nghệ Hiện giờ, thiết bị tập trung để sản sinh hơi nước cho việc sản xuất điện cũng đang được xây dựng ở nhiều nơi khác nhau trên thế giới, chi phí ước tính cho năng lượng mặt trời tại những địa điểm thuận lợi

sẽ không nhiều hơn chi phí cho năng lượng hạt nhân khi hoàn thành xây dựng những trạm này

Biến đổi quang điện

Việc biến đổi bức xạ mặt trời thành năng lượng điện dùng pin mặt trời đã được phát triển như một bộ phận của công nghệ vệ tinh và du hành vũ trụ Hiệu suất lí thuyết của pin mặt trời vào khoảng 30%, và trong ứng dụng, có thể đạt được hiệu suất cao đến 25% với những thiết bị quang điện silic Hiệu suất tổng thể của hệ thống vào khoảng 10 đến 14 % Công nghệ biến đổi quang điện cũng được phát triển rộng rãi, nhưng ứng dụng trên quy mô lớn lại bị hạn chế bởi giá pin cao

Trái ngược với bộ thu truyền thống, pin mặt trời quang điện biến đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt, sử dụng photon bức xạ tia tới để trực tiếp sản xuất điện Chính vì vậy, công nghệ này còn

thường được gọi là biến đổi mặt trời trực tiếp Hiệu suất biến đổi của hệ thống nhiệt bị giới hạn

bởi nhiệt độ của bộ thu trong khi hiệu suất biến đổi của pin photon lại bị hạn chế bởi những nhân

tố khác

Biến đổi sinh học

Biến đổi sinh học năng lượng mặt trời sử dụng quang hợp là một quá trình tự nhiên đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu trng nhiều thập kỉ Cho đến tận bây giờ, dạng ứng dụng năng lượng mặt trời này chiếm vai trò quan trọng nhất cho loài người Nó cung cấp một phần nhỏ nhưng không thể thiếu trong lượng năng lượng tiêu thụ dưới dạng thức ăn và trong hàng ngàn năm, nó cung cấp năng lượng cho tổ tiên chúng ta dưới dạng củi, gỗ như một nguồn nhiệt duy nhất Cuối cùng nhưng cũng không kém phần quan trọng, chính quá trình này trong hàng triệu năm đã sản sinh ra nhiên liệu hóa thạch mà hiện giờ là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu cho chúng ta

Về nguyên tắc, có thể trồng những loại cây phù hợp dành riêng cho mục đích sản sinh năng lượng bằng biến đổi sinh học trực tiếp hoặc bằng biến đổi nhiệt phân thành nhiên liệu lỏng hoặc nhiên liệu khí Rất tiếc là sản lượng quang hợp trong ứng dụng nông nghiệp chỉ ở mức 1% Trong khí hậu ôn đới, thậm chí dưới điều kiện thuận lợi, sản lượng trung bình hàng năm chỉ khoảng 20 tấn nguyên liệu hữu cơ khô một ha Tuy nhiên, việc canh tác những loại thực vật đặc

biệt như mía có thể mang lại hiệu suất trung bình hàng năm cao vào khoảng 2,5 % và quá trình tái chế trong đó phế phẩm thức ăn hoặc phế phẩm từ động vật cũng được sử dụng để sản sinh khí metan, khí metan sau đó có thể được chuyển thành metanol Qúa trình biến đổi sinh học được cho

là có thể đáp ứng tổng nhu cầu năng lượng đang ngày càng tăng lên trong tương lại

Năng lượng gió

Năng lượng gió được sử dụng rộng rãi từ thời kì trung đại Cối xay gió được sử dụng ở những vùng nông thôn nước Mĩ để cấp năng lượng cho bơm cấp nước và quay máy phát điện nhỏ

sử dụng để nạp ắc quy cấp điện trong thế kỉ trước Cối xay gió và tuabin gió chuyển động năng của không khí lưu thông thành chuyển động cơ học, thông thường dưới dạng một trục quay Chuyển động cơ học này có thể được sử dụng để chạy bơm hoặc để phát điện

Công nghệ biến đổi năng lượng gió được phát triển rộng rãi và không được trình bày trong giáo trình này Lượng năng lượng gió tăng cùng với năng lượng thứ ba của vận tốc gió, và hệ

thống năng lượng gió kinh tế trong những khu vực gió đủ mạnh và thường xuyên xuất hiện Việc xây dựng hệ thống năng lượng gió không yêu cầu công nghệ mới nào và ước tính chi phí tại những khu vực thuận lợi trên thế giới gần bằng chi phí cho nguồn năng lượng hóa thạch Tuy nhiên, để sản sinh ra một lượng năng lượng đáng kể, hệ thống phải tương đối lớn Đường kính của rotor là 50 m và chiều cao là 100 m là kích thước điển hình được đề xuất cho máy phát điện dùng gió để quay tuabin, và những cối xay gió khổng lồ như vậy được đặt theo khoảng cách thông thường thường gây mất thẩm mĩ Hơn nữa, vận tốc của gió giảm đáng kể vào ban đêm và thay đổi theo thời tiết Hậu quả là, để có được nguồn điện đáng tin cậy từ gió, cần phải dự trữ năng lượng

Có một số lí do giải thích tại sao năng lượng gió vẫn chưa được ứng dụng trên quy mô lớn thậm chí cả ở những khu vực thuận lợi Tuy nhiên, ở một số khu vực trên thế giới, năng lượng gió đóng góp đáng kể cho nhu cầu năng lượng tổng thể

Biến đổi năng lượng đại dương

Gần như 71 % bề mặt thế giới được bao phủ bởi đại dương Đại dương như một ngôi nhà

dự trữ khổng lồ nguồn năng lượng mặt trời do độ chênh nhiệt độ được sinh ra bởi mặt trời cũng như động năng dự trữ trong sóng Có một số nơi trong đại dương, độ chênh lệch nhiệt độ vào khoảng 20-25k tại độ sâu nhỏ hơn 1000 m, và độ chênh nhiệt độ này có thể được sử dụng để vận hành động cơ nhiệt áp suất thấp Mặc dù hiệu suất nhiệt động của một động cơ nhiệt hoạt động dựa trên độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ như thế này là thấp, lượng năng lượng nhiệt có sẵn là tương đối lớn Tuy nhiên, để đưa phương pháp này vào thực tế, yêu cầu phải phát triển bộ trao đổi nhiệt

rẻ và hiệu quả có thể chịu được điều kiện đại dương khắc nghiệt Vì thiết bị trao đổi nhiệt là bộ phận đắt nhất trong hệ thống biến đổi nhiệt đại dương, chi phí sử dụng gradient nhiệt độ trong đại dương để ứng dụng năng lượng mặt trời vào thực tế phụ thuộc phần nhiều vào sự phát triển này

Phương pháp sử dụng đại dương để sản sinh năng lượng thứ hai là thông qua sóng đại dương Phương pháp này đang được nghiên cứu ở Nhật Bản và Vương quốc Anh Những hệ thống mẫu cũng đã được xây dựng, tuy nhiên ước tính chi phí cho phương pháp sử dụng năng lượng đại dương là không khả quan lắm và sẽ không được bàn đến trong giáo trình này

TÍNH SẴN CÓ CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Lượng năng lượng bức xạ mặt trời lên một bề mặt trên mỗi đơn vị diện tích và trên mỗi

đơn vị thời gian được gọi là độ rọi bức xạ Độ rọi bức xạ ngoài trái đất vuông góc với tia mặt trời

trung bình lên biên ngoài của khí quyển trái đất gần bằng 1,35 kW/m2 Vì quỹ đạo của trái đất là hình elip, khoảng cách giữa mặt trời và trái đất thay đổi chút ít theo từng thời điểm trong năm, và

độ rọi bức xạ ngoài trái đất thực tế thay đổi ±3,4 % trong năm Góc đối diện tia mặt trời chỉ là 0,0093 rad khi nhìn từ trái đất ( khoảng 32 acrminute), và như vậy bức xạ tia trực tiếp xuống trái đất gần như song sóng Mặc dù độ sáng của đĩa mặt trời giảm từ tâm đến biên bên ngoài, đối với hầu hết tính toán, có thể giả thuyết là mang lại độ sáng chói đồng đều Năng lượng bức xạ lên diện tích bề mặt trong một phạm vi bước sóng, và năng lượng chiếu xuống đơn vị diện tích bề mặt

trong một dải tần cụ thể được biết đến là độ rọi bức xạ theo phổ Gía trị của nó thường được biểu

diễn bằng W/m2 trên một nanomet dải tần Độ rọi bức xạ theo phổ ngoài trái đất được chỉ ra trong hình 1.2 Độ rọi có thể gần đúng với một dải tần của một vật đen tại nhiệt độ là 5800 K Phần trên của Hình 1.1 miêu tả dải sóng thường có thể sử dụng được cho những ứng dụng mặt trời và đường cong thấp nhất miêu tả độ bức xạ tia trực tiếp theo phổ tại mực nước biển trên trái đất dưới điều kiện trời quang đãng với mặt trời chiếu trên đỉnh đầu

Hình 1.1: Đường cong độ rọi bức xạ theo phổ cho ánh nắng mặt trời ngoài trái đất và ở mực nước biển với mặt trời trực tiếp trên đầu Những chỗ chấm chấm dùng để chỉ hấp thụ do những thành phần trong khí quyển, chủ yếu là H 2 O, CO 2 và O 3 Bước sóng tiềm năng được sử dụng trong những ứng dụng năng lượng mặt trời khác nhau được chỉ ra ở phía trên cùng

Trái đất và khí quyển của nó liên tục nhận bức xạ 1,7×1017 W từ mặt trời Dân số thế giới

là 10 tỉ với tổng nhu cầu năng lượng trên mỗi người là 10 kW sẽ cần đến 1011kW năng lượng

Chính vì vậy, rõ ràng là chỉ cần độ rọi bức xạ lên 1% diện tích bề mặt trái đất được chuyển thành năng lượng hữu ích với hiệu suất 10 %, năng lượng mặt trời đã có thể cung cấp nhu cầu năng lượng cho tất cả mọi người trên trái đất Con số này thường hay được những người ủng hộ năng lượng mặt trời trích dẫn ra, nhưng rất tiếc là bản chất của nguồn năng lượng này có những vấn đề

kĩ thuật và hạn chế về kinh tế mà khi xét theo quan điểm vĩ mô của ngân sách năng lượng, chúng không được rõ ràng Hạn chế chính là năng lượng mặt trời chiếu xuống mặt đất có thông lượng nhỏ, thường gián đoạn và hầu hết chiếu xuống những khu vực xa xôi hẻo lánh Những ảnh hưởng kéo theo của những nhân tố đó cũng sẽ được thảo luận

GIỚI HẠN CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Vấn đề đầu tiên trong việc thiết kế kĩ thuật thiết bị cho ứng dụng năng lượng mặt trời đó là thông lượng thấp kéo theo việc cần thiết phải có những bề mặt lớn để thu năng lượng mặt trời cho ứng dụng quy mô lớn Hơn nữa, bề mặt càng lớn, năng lượng phân phối càng đắt Khi mặt trời chiếu trên đỉnh đầu vào một ngày quang đãng, 10m2 bề mặt theo như lí thuyết có thể cung cấp năng lượng với công suất thu năng lượng là 10% với tỉ suất là 1 kW Trên thực tế, một số nhân tố

đã giảm lượng này xuống Một trong số đó là tổn thất vào khí quyển Về cơ bản, phổ mặt trời thay đổi khi đi qua khí quyển trái đất, và ước tính khoảng 25-50% năng lượng bị mất do tán xạ và hấp thụ Thậm chí vào một ngày không mây với bầu trời không bị ô nhiễm, khoảng 30% năng lượng tới bị mất Một số bị tán xạ trở lại không gian do những phân tử không khí và một số bị hấp thụ do ozone, hơi nước và CO2 trong khí quyển Thậm chí vào một ngày quang đãng, năng lượng khuyếch tán từ mặt trời không thể được thu một cách hiệu quả chiếm khoảng 20% tổng bức xạ lên

bề mặt thẳng đứng, và con số phần trăm này tăng đáng kể ở những nơi có mây tự nhiên và ô nhiễm antropogen Hơn nữa, nhu chỉ ra trong hình 1.2, như kết quả của hầu hết hấp thụ năng lượng mặt trời tổng bởi ozone với bước sóng dưới 300mm và bởi khí CO2 với bước sóng quá 2500

nm, độ rọi bức xạ lên bề mặt trái đất bị giới hạn trong phạm vi bước sóng từ 300 đến 2500 nm Trong khoảng này, chỉ năng lượng mặt trời trong khoảng 400 đến 700 nm, hay chính là khoảng nửa tổng bức xạ trái đất có thể được thực vật sử dụng qua quá trình quang hợp

Tổng năng lượng mặt trời xuống trái đất bao gồm hai phần: năng lượng trong chùm tia trực tiếp và năng lượng khuyếch tán từ bầu trời Mặc dù thực vật có thể sử dụng năng lượng mặt trời trực tiếp hoặc khuyếch tán, hầu hết những bộ thu mặt trời nhân tạo chỉ có thể biến đổi năng lượng trực tiếp một cách hiệu quả Lượng năng lượng trực tiếp phụ thuộc vào mức độ mây phủ và

vị trí của mặt trời và rõ ràng là lượng này lớn nhất trong những ngày quang đãng Một số bức xạ mặt trời chiếu xuống mây bị khuyếch tán do tán xạ, nhưng mây không hấp thụ toàn bộ năng lượng Ảnh hưởng chính của mây là tăng phần trăm năng lượng khuyếch tán trong tổng số năng lượng chiếu xuống bề mặt, và độ rọi bức xạ trong những tháng mùa hè với mặt trời trên cao và không có mây có thể cao đến 400 W/m2 Lớp mây dầy cho phép ít năng lượng đi qua hơn lớp mây mỏng, và theo tỉ lệ chúng tán xạ nhiều năng lượng trở về không gian hơn

Hạn chế thứ hai khi ứng dụng vào thực tế nhưng không được nhìn nhận rõ ràng từ quan điểm năng lượng vĩ mô là phần lớn năng lượng mặt trời lại chiếu xuống những khu vực xa xôi hẻo lánh và như vậy sẽ yêu cầu sử dụng một số phương tiện truyền tải đến những nước công nghiệp

Độ rọi bức xạ toàn cầu trung bình lên một bề mặt nằm ngang như đã vạch ra bởi Budyko [7] được chỉ ra trong hình 1.3 Lượng năng lượng trung bình chiếu xuống bề mặt nằm ngang lớn nhất trong những khu vực hoang mạc lục địa tại vĩ tuyến 250 bắc và 250 nam của xích đạo và suy giảm khi hướng về cả xích đạo và cực Độ rọi bức xạ trung bình hàng năm cao nhất là 300W/m2

trong khu

vực Biển Đỏ Mây làm giảm đáng kể độ rọi bức xạ toàn cầu trung bình tại những khu vực xích đạo và độ rọi trung bình hàng năm của Singapo gần như bằng với độ rọi trung bình hàng năm tại Pa-ri Tuy nhiên, trong khi với khí hậu ở phía bắc, độ rọi toàn cầu trung bình lên bề mặt nằm ngang thay đổi theo mùa, nó tương đối không thay đổi tại những khu vực xích đạo Gía trị độ chiếu rọi trung bình hàng năm lên bề mặt nằm ngang là: ở Úc khoảng 200 W/m2; Mĩ 185 W/m2, ở Vương quốc Anh là 105 W/m2.

Mặc dù năng lượng không được phân bố nhiều tại những nước công nghiệp trên thế giới, nhưng nó lại hữu ích ở những nước đang phát triển công nghiệp trong đai bức xạ thuận lợi Hình 1.1 chỉ ra tổng tiềm năng năng lượng điện cho những khu vực giàu năng lượng mặt trời Cần phải chú ý rằng nhiều khu vực trên thế giới ví dụ như Ảrập Xê út, Trung Úc, và những khu vực ở Nam

Úc và Ấn Độ, là những sa mạc trên thực tế không sử dụng được cho nông nghiệp Đồng thời, cũng cần phải chú ý rằng đó là những khu vực không có nước hoặc có rất ít, điều này có thể có thể gây

ra một vấn đề đặc biệt trong việc sản sinh năng lượng điện nhiệt

Hạn chế thứ ba của năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng và nhiệt quy mô lớn là vấn đề gián đoạn Năng lượng mặt trời có chu trình hàng ngày thường xuyên do trái đất quay xung quanh trục của nó, chu trình hàng năm thường xuyên do độ nghiêng của trục trái đất so với mặt phẳng hoàng đạo và do trái đất quay xung quang mặt trời Năng lượng mặt trời cũng không sẵn

có khi thời tiết xấu Những thay đổi bức xạ mặt trời hàng ngày và theo mùa do thời tiết đã gây ra vấn đề đặc biệt trong việc dự trữ và phân bố năng lượng, hoàn tonaf khác so với những vấn đề liên quan đến việc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống như than và dầu Vì thế trong khi đánh giá tính khả thi của việc sử dụng năng lượng mặt trời, cần phải xác định cho những ứng dụng nào bản chất chu trình khuyếch tán và gián đoạn của nguồn sẽ không gây ra vấn đề kĩ thuật và kinh tế không thể khắc phục được

Bảng 1.1 Năng lượng điện mặt trời tại các khu vực chiếu nắng cao trên Trái đất

Sa mạc Diện tích danh

nghĩa Dòng năng lượng nhiệt hàng năm

danh nghĩa GW·hr (th)/km2

Phần trăm diện tích được cho là

có thể sử dụng được

Năng lượng điện được khai thác với 25% hiệu suất (GW·hr/yr)

b Những khu vực của sa mạc Ả rập và Libi

c Khoảng 60% sa mạc Rub al Khali

1993 Việc tích trữ hidro hiện cũng có sẵn và được sử dụng rộng rãi Việc tích trữ này cũng hữu dụng đối với trạm năng lượng mặt trời, tuy nhiên cần phải đặt những trạm năng lượng này tại những khu vực có tiềm năng tích trữ hidro Hệ thống nén khí kết hợp với tuabin khí có thể thực hiện được về mặt công nghệ cũng như dự trữ năng lượng nhiệt trong kim loại lỏng và muối tan chảy

Khả năng tiếp theo là sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất hidro và tích trữ năng lượng dưới dạng ga hoặc lỏng Có vẻ như không có khó khăn về kĩ thuật gì nếu sẵn xuất trên quy

mô lớn, nhưng hiệu suất sản xuất hidro tương đối thấp và vì vậy hiện giờ, chi phí tích trữ hidro và

hệ thống phân phối tương đối cao

Hình 1.3 Khối lượng và mật độ năng lượng tính theo thể tích cho môi trường tích trữ năng

lượng Vẽ lại từ [24].

Bảng 1.2 Pin tích trữ điện

Nhà sản xuất

và mô hình Số mô hình

Chu trình nông/

sâu (S/D)

Công suất danh nghĩa (Ah)

Điện

áp danh định (V)

Độ sâu

xả (%)

Tuổi thọ(

các chu trình)

Năng lượng phân phối (kWh)

Chi phí ($/kWh) GNB Absolyte

6E120-9 3E120-21

2000

3SRC-125G SRC-250G SRC-375G GC12-800-38

638

1260 6-35A09 3-75A25 CH-375 NS-29 NS-33 6E95-5 6E120-9 3E120-21

192

538 1.346

850 2.000 2.000 2.000 1.500

250

500

500 1.500 1.500 1.400 1.400 1.400

0,50 0,32 0,18 0,10 0,42 0,33 0,23 0,19 0,19 0,15 0,34 0,33 0,36 1,21 1,00 1,00 0,35 0,42 0,65 0,42 0,25 0,14 0,09 0,16 0,16 0,19 0,15 0,09

TÍNH KINH TẾ CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mặc dù năng lượng mặt trời cần thiết phải là nguồn năng lượng miễn phí, vẫn có một chi phí nhất định liên quan đến việc sử dụng nó Bằng cách bỏ qua chi phí tiền lãi, theo cách tính đơn giản nhất, chúng ta có teher tính toán chi phí năng lượng mặt trời theo cách sau đây Gỉa thiết là một hệ thống năng lượng mặt trời sẽ có tuổi thọ là T năm và chi phí ban đầu của nó là C0 đô la Nếu trong suốt tuổi đời, trung bình mỗi năm hệ thống sẽ nhận được một lượng năng lượng Q, bỏ qua chi phí tiền lãi, chi phí đơn vị của năng lượng bằng với chi phí của hệ thống chia cho tổng năng lượng phân phối trong suốt tuổi đời của nó Ví dụ, nếu bộ thu năng lượng mặt trời chi phí bề mặt là 100 $/m2 sẽ có tuổi thọ ước tính là 20 năm và được lắp đặt ở những khu vực có độ rọi bức

xạ lên bề mặt nằm ngang trung bình hàng năm là 200 W/m2 tính trung bình trên 24 giờ, chi phí năng lượng mặt trời CS sẽ bằng với:

o s

C C

sẽ được tính toán như sau:

Chú ý rằng lắp đặt bộ thu giống nhau ở những khu vực khác trên đất nước với độ rọi bức

xạ trung bình chỉ là 100 W/m2 sẽ tăng gấp đôi chi phí của năng lượng mặt trời mặc dù chi phí hệ thống không đổi

Chương 2 Cơ sở bức xạ mặt trời

Với những ngôi nhà ở hướng nam, tia mặt trời hấp thụ vào trong mái cổng vào mùa đông, nhưng vào mùa hè, mặt trời chiếu ngay trên đỉnh đầu và bên trên mái, chính vì vậy có bóng nắng

Socrates, ca 400 B.C

Bản chất của việc sản sinh năng lượng từ mặt trời vẫn là một câu hỏi chưa được trả lời thỏa đáng Phép đo phổ đã xác nhận sự có mặt của gần như tất cả những thành phần được biết trong mặt trời Tuy nhiên, 80 phần trăm mặt trời là hidro và 19 % là khí heli Vì vậy, những thành phần còn lại để tạo nên 100% chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong thành phần mặt trời Nhìn chung,

có thể chấp nhận rằng phản ứng nhiệt hạch giữa hidro và heli là nguồn năng lượng mặt trời Tuy nhiên, bởi vì phản ứng như vậy vẫn chưa được nhân lên trong phòng thí nghiệm, chúng ta không thể dám chắc rõ ràng về cơ chế phản ứng, dòng chảy rối trong mặt trời đóng vai trò gì và vệt đen trên mặt trời được tạo ra theo cách như thế nào

Bản chất của quá trình tạo năng lượng không đóng vai trò quan trọng đối với những người

sử dụng bức xạ mặt trời trên trái đất Những gì mà chúng ta quan tâm đó là lượng năng lượng, việc phân bố xuống trái đất và phân bố quang phổ của nó, và sự thay đổi theo thời gian ngày và năm Những vấn đề trên đây là chủ đề chính của chương này

Mặt trời là một quả cầu có đường kính 13,9 ×105 cấu thành bởi nhiều lớp không khí, và những lớp này càng hướng về tâm mặt trời, càng nóng hơn Từ lớp ngoài cùng, năng lượng được bức xạ vào hệ mặt trời, có nhiệt độ tương đương với nhiệt độ của một vật đen tuyệt đối là 5760 K(10.4000R).Tuy nhiên, tâm của mặt trời là ở nhiệt độ là 20×106K Năng suất phát năng lượng từ mặt trời là 3,8 ×1023kW, từ việc biến đổi 4,3×109

g/ giây (4,7 ×106 tấn/ giây) từ khối lượng sang năng lượng Trong tổng số đó, chỉ một phần nhỏ, khoảng 1,7×1014kW, bị chặn bởi trái đất xa mặt trời khoảng 150 triệu km ( Hình 2.1)

Hình 2.1 Mối quan hệ giữa mặt trời và trái đất

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng vĩnh cửu và phong phú nhất trên thế giới Lượng năng lượng mặt trời bị trái đất chặn là lớn gấp 5000 lần tổng năng lượng đầu vào khác ( hạt nhân trên trái đất, năng lượng địa nhiệt và năng lượng hấp dẫn và năng lượng hấp dẫn từ mặt trăng) Trong số đó, 30% được phản chiếu xuống không trung, 47% được chuyển sang nhiệt nhiệt

độ thấp và được bức xạ lại không trung, và 23% cấp nguồn năng lượng cho chu trình bay hơi/ mưa của khí quyển Dưới 0,5 % có mặt dưới dạng động năng của gió và sóng và trong kho tích trữ quang hợp của thực vật

Tổng bức xạ trên trái đất chỉ bằng khoảng 1/3 tổng bức xạ ngoài trái đất trong vòng một năm, và 70% lượng đó được chiếu xuống đại dương Tuy nhiên, phần còn lại 1,5×1017

kW hr chiếu xuống đất liền là lượng năng lượng khổng lồ- gấp khoảng 6000 lần so với tổng năng lượng được sử dụng ở nước Mĩ vào năm 2000 Tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ trong tổng số đó có thể được sử dụng do những ràng buộc về tính chất vật lí và kinh tế xã hội được miêu tả trong chương

1

Những tài liệu được trình bày trong phần này được chọn ra từ sách giáo khoa về truyền và bức xạ nhiệt [ ví dụ, tham khảo 24, 38, 39, 69] Nó cung cấp nền tảng cần thiết để hiểu bản chất của bức xạ mặt trời cho việc phân tích kĩ thuật cho hệ thống năng lượng mặt trời

Sau đó, để bắt đầu, tất cả những bức xạ đều có vận tốc ánh sáng bằng tích số bước sóng và tần số bức xạ Vận tốc ánh sáng trong môi trường bằng với vận tốc của ánh sáng trong chân không chia cho chỉ số khúc xạ của môi trường mà ánh sáng đi qua:

o

c c

c= vận tốc của ánh sáng trong một môi trường (m/ giây)

C0= vận tốc của ánh sáng trong môi trường chân không (m/ giây), và

n= chỉ số khúc xạ của môi trường

Bức xạ nhiệt là một loại năng lượng điện từ và tất cả những vật thể phát bức xạ nhiệt nhờ vào nhiệt độ của chúng Khi một vật được làm nóng, phân tử, nguyên tử hay electron của nó được được nâng lên mức hoạt động cao hơn được gọi là trạng thái được kích thích Tuy nhiên, chúng có chiều hướng chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn và trong quá trình này, năng lượng được phát ra dưới dạng sóng điện từ Những thay đổi trong trạng thái năng lượng xuất hiện do sự sắp xếp lại trong trạng thái điện tử, quay và rung của nguyên tử và phân tử Vì những thay đổi này liên quan đến nhiều dạng dạng thay đổi năng lượng khác nhau và những sự thay đổi năng lượng này liên quan đến tần số, bức xạ phát ra từ một vật thể được phân phối qua một dải bước sóng Một phần phổ điện từ được chỉ ra trong hình 2.2 Bước sóng liên quan đến những cơ chế khác nhau không được xác định rõ ràng; bức xạ nhiệt thường được coi là rơi vào dải tần khoảng từ 0,1 đến

100 µm, trong khi hầu hết năng lượng của bức xạ mặt trời nằm trong khoảng 0,1 đến 3 µm

Đối với một số vấn đề liên quan đến kĩ thuật năng lượng mặt trời, lí thuyết sóng điện từ

quang hóa, cần phải xem xét việc vận chuyển năng lượng theo quan điểm cơ học lượng tử Theo quan điểm này, năng lượng được chuyển tải bằng những phân tử hoặc photon, những photon này được coi là đơn vị năng lượng hoặc lượng tử hơn là sóng Năng lượng của một photon, EP có tần

2.2.1 Bức xạ vật đen tuyệt đối

Mật độ năng lượng bức xạ phát ra tại bước sóng cho trước (đơn sắc) bởi một thiết bị bức

xạ hoàn hảo, thường được gọi là một vật đen, được tính theo công thức sau đây:

1 / 5 2

1

C E

Đại lượng E bλcó đơn vị là W/m2

· µm (Btu/hr · ft2 µm) và được gọi là công suất phát xạ đơn sắc của một vật đen tuyệt đối, được xác định là năng lượng do thiết bị bức xạ hoàn hảo phát ra trên đơn vị bước sóng tại bước sóng cụ thể trên đơn vị điện tích và trên đơn vị thời gian tại nhiệt

độ T

Tổng năng lượng phát xạ bởi một vật đen, Eb có thể đạt được bằng cách tích phân trên toàn bộ bước sóng Theo như định luật Stefan-Boltzmann

2.2.2 Bảng hàm bức xạ

Tính toán kĩ thuật của việc truyền bức xạ được hỗ trợ bằng cách sử dụng bảng chức năng bức xạ, bảng này trình bày kết quả của định luật Plăng dưới dạng thuận tiện hơn so với phương trình (2.3) Hình vẽ 2.3 biểu diễn công suất phát xạ đơn sắc của một vật đen như một hàm bước sóng khi tăng nhiệt độ Công suất phát xạ tối đa tại một bước sóng cụ thể Những đỉnh này, hay những điểm phản xạ chỉ liên quan đến nhiệt độ của một vật thể Bằng cách lấy đạo hàm của định luật phân bố Plăng [phương trình (2.3)] và cho bằng 0, bước sóng tương ứng với giá trị E bλtối đa

Thông thường, cần phải biết lượng năng lượng được phát ra bởi một vật đen trong một phạm vi bước sóng xác định Có thể thực hiện phép tính này một cách dễ dàng với sự trợ giúp của những hàm bức xạ được đề cập trước đó Để xây dựng hàm bức xạ phù hợp dưới dạng không thứ nguyên, chú ý là tỉ lệ bức xạ vật đen tuyệt đối được phát xạ trong khoảng 0 và λvà trong khoảng

0 và ∞có thể được tạo thành từ một hàm biến đơn (λT) bằng cách sử dụng phương trình (2.3) như đã được chỉ ra dưới đây ( với n=1):

1 3 8 60 5040 272160 13305600

b

E T

,0

4

b

E T

λ λ

,0

4

b

E T

λ λ

,0

4

b

E T

λ λ

σ

−

0,00 0,0000 0,0000 1,50 0,7103 0,5403 2,85 0,1607 0,8661 0,20 0,0000 0,0000 1,55 0,6737 0,5630 2,90 0,1528 0,8713 0,25 0,0003 0,0000 1,60 0,6382 0,5846 2,95 0,1454 0,8762

0,30 0,0038 0,0001 1,65 0,6039 0,6050 3,00 0,1384 0,8809 0,35 0,0187 0,0004 1,70 0,5710 0,6243 3,10 0,1255 0,8895 0,40 0,0565 0,0015 1,75 0,5397 0,6426 3,20 0,1141 0,8974

0,45 0,1246 0,0044 1,80 0,5098 0,6598 3,30 0,1038 0,9045 0,50 0,2217 0,0101 1,85 0,4815 0,6761 3,40 0,0947 0,9111 0,55 0,3396 0,0192 1,90 0,4546 0,6915 3,50 0,0865 0,9170

0,60 0,4664 0,0325 1,95 0,4293 0,7060 3,60 0,0792 0,9225 0,65 0,5909 0,0499 2,00 0,4054 0,7197 3,70 0,0726 0,9275 0,70 0,7042 0,0712 2,05 0,3828 0,7327 3,80 0,0667 0,9320

0,75 0,8007 0,0960 2,10 0,3616 0,7449 3,90 0,0613 0,9362 0,80 0,8776 0,1236 2,15 0,3416 0,7565 4,00 0,0565 0,9401 0,85 0,9345 0,1535 2,20 0,3229 0,7674 4,20 0,0482 0,9470

0,90 0,9725 0,1849 2,25 0,3053 0,7777 4,40 0,0413 0,9528 0,96 0,9936 0,2172 2,30 0,2887 0,7875 4,60 0,0356 0,9579 1,00 1,0000 0,2501 2,35 0,2731 0,7967 4,80 0,0308 0,9622

1,05 0,9944 0,2829 2,40 0,2585 0,8054 5,00 0,0268 0,9660 1,10 0,9791 0,3153 2,45 0,2447 0,8137 6,00 0,0142 0,9790 1,15 0,9562 0,3472 2,50 0,2318 0,8215 7,00 0,0082 0,9861

1,20 0,9277 0,3782 2,55 0,2197 0,8290 8,00 0,0050 0,9904 1,25 0,8952 0,4081 2,60 0,2083 0,8360 9,00 0,0033 0,9930 1,30 0,8600 0,4370 2,65 0,1976 0,8427 10,00 0,0022 0,9948

1,35 0,8231 0,4665 2,7 0,1875 0,8490 20,00 0,0002 0,9993 1,40 0,7854 0,4911 2,75 0,1780 0,8550 40,00 0,0000 0,9999 1,45 0,7477 0,5163 2,8 0,1691 0,8607 50,00 0,0000 1,0000

Hình 2.4 Một phần tổng công suất phát xạ trong phạm vi phổ giữa λ=0 và λ như một hàm của

I=

0

lim

dA d

dE

dA d

→∞ ′ (2.8)

Cường độ bức xạ có cả độ lớn và chiều Nó có thể có mối tương quan với thông lượng bức

xạ , được xác định là năng lượng bức xạ đi qua một mặt phẳng tưởng tượng trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian ở mọi hướng Chú ý là, trong khi đối với cường độ, diện tích dA’ vuông góc với hướng bức xạ, đối với thông lượng diện tích dA tại nền trung tâm của một bán cầu qua đó tất cả bức xạ đi qua Nói một cách ngắn gọn, định nghĩa về góc đặc giữa dÁ và dA là dω

= dA’và dA là dω = dA’/r2, thông lượng bức xạ q rphát xạ từ dA có thể được tính bằng cách tích phân cường độ trên bán cầu Như chỉ ra trong hình 2.5, diện tích đơn vị được chiếu cho I là dAcos

θ và vùng vi phân dA’ trên bán cầu là r2

Hình 2.5 Biểu đồ miêu tả cường độ và thông lượng bức xạ

Nếu diện tích dA được đặt trên một mặt phẳng, công suất phát xạ E cũng có thể được tính

từ phương trình (2.9) Đối với trường hợp bề mặt khuyếch tán, với I không thay đổi tại mọi hướng, phương trình (2.9) được chuyển thành

F1-2 = tỉ lệ bức xạ từ bề mặt 1 đến bề mặt 2,và

F2-1 = tỉ lệ bức xạ từ bề mặt 2 đến bề mặt 1

Nhìn chung, Fm-n = tỉ lệ bức xạ từ mặt phẳng m đến mặt phẳng n Nếu cả hai mặt phẳng

đều đen, năng lượng từ mặt phẳng m và tới mặt mặt n là EbmAmFm-n và năng lượng từ mặt phẳng n

và đến mặt phẳng m là EbnAnFn-m Nếu cả hai mặt phẳng đều hấp thụ tất cả năng lượng tới, tỉ lệ

ròng của q m⇔nđược tính như sau:

m n bm m m n bn n n m

q ⇔ = E A F − − E A F− (2.13) Nếu cả hai mặt phẳng ở nhiệt độ như nhau, Ebm = Ebn và tỉ lệ trao đổi ròng là 0, q m⇔n

Nhìn chung, việc đánh giá hệ số hình dạng hình học khá rắc rối Tuy nhiên, đối với phần

lớn ứng dụng năng lượng mặt trời, chỉ một số trường hợp đặc biệt liên quan Một trong số đó là

vật thể lồi nhỏ có diện tích A1 xung quang là một vỏ bọc lớn có diện tích A2 Vì mọi bức xạ từ A1

bị chặn bởi A2, F1-2= 1 và F2-1= A1/A2

Trường hợp nữa đó là việc trao dổi bức xạ giữa hai bề mặt lớn đặt song song với nhau

Nếu hai bề mặt này được đặt cạnh nhau, hầu như tất cả bức xạ từ A1 đều đến được A2 và

ngược lại Vì vậy, F1-2=F2-1=1,0 theo như định nghĩa hệ số hình dạng Trường hợp quan

trọng thứ ba đó là trao đổi giữa mặt phẳng nhỏ ∆A1 và một phần không gian A2, ví dụ trao đổi

giữa bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang và bầu

trời Đối với trường hợp này, xin hãy tham khảo định nghĩa thông lượng bức xạ ( xem Hình 2.5)

Lượng bức xạ được phát ra bởi ∆A1 bị chặn bởi bán cầu bao quanh phụ thuộc vào góc nghiêng

Khi về mặt nằm ngang, F1-2=1; khi bề mặt thẳng đứng,

F1-2=1/2 (β=900) Để thu được giá trị trung gian, có thể chỉ ra rằng [69]:

Nếu bức xạ mặt trời khuyếch tán được phân bổ đồng đều và được giả thiết là màu đen,

một khu vực đen nhỏ A1 nhận bức xạ theo tỉ lệ

Nếu diện tích nhận có màu xám với khả năng hấp thụ α bằng hệ số phát xạ ε là trao đổi

ròng được cho bởi công thức:

( 4 4)

1 1 1 1

2.2.4 Truyền Bức xạ qua một Môi trường

Khi bức xạ truyền qua một môi trường trong suốt như kính hoặc khí quyển, độ giảm cường độ có thể được miêu tả bằng định luật Bouger, định luật này giả thiết rằng độ suy giảm tỉ lệ với cường độ tại chỗ của môi trường Nếu Iλ(x) là cường độ đơn sắc sau khi bức xạ đi qua một khoảng cách x, định luật được biểu diễn bằng phương trình:

λ

λ λ

λ

λ λ λ

Hệ số tắt Kλlà đặc tính phức tạp của môi trường vì nó kết hợp hiệu ứng hấp thụ, phát xạ,

và tán xạ do phân tử và những hạt tạo nên môi trường Rất tiếc, đối với những vật liệu như kính và nhựa với những thành phần đã biết, hệ số này có thể được tính một cách chính xác Việc truyền bức xạ qua những vật liệu như vậy sẽ được thảo luận sâu hơn trong chương 3 Trong chương này, chúng ta chỉ quan tâm đến việc truyền bức xạ mặt trời qua khí quyển Khí quyển bao gồm những phân tử khí trong đó như N2, O2, CO2, H2O, vv và những chất trong bình phun như phân tử bụi, giọt nước và tinh thế băng Qúa trình tắt của khí quyển bao gồm (a) hấp thụ và phát xạ do phân tử

và khí bình phun, (b) tán xạ bởi phân tử, và (c) tán xạ bởi khí bình phun

Vì khí quyển bao gồm một số lượng lớn những phần tử với mức độ tập trung của nó thay đổi theo hàm thời gian và địa điểm, việc xác định hệ số tắt của khí quyển là một thách thức lớn Các nhà khoa học dang nỗ lực rất nhiều nhằm dự đoán sự thay đổi khí hậu toàn cầu Một số cố gắng ước tính hệ số tắt cho “ điều kiện khí quyển trung bình” được kết hợp với phương pháp kinh nghiệm [76] để sử dụng phương trình trên để ước tính nguồn bức xạ mặt trời trên trái đất Phương pháp này sẽ được miêu tả trong chương này

Hình 2.6 miêu tả quỹ đạo quay xung quanh mặt trời của trái đất trong một năm Khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi trong năm, khoảng cách nhỏ nhất là 1,471×1011

m vào ngày

đông chí ( 21 tháng 12) và khoảng cách lớn nhất là 1,521×1011vào những ngày hạ chí ( 21 tháng

6) Khoảng cách trung bình giữa mặt trời và trái đất trong một năm là 1,496 ×1011 m Vì vậy,

lượng bức xạ mặt trời bị chặn bởi trái đất thay đổi trong năm, lượng tối đa là vào 21 tháng 12 và

lượng tối thiểu là vào 21 tháng 6

Hình 2.6 (a) Chuyền động của trái đất xung quang mặt trời

(b) Vị trí chí tuyến Chú ý rằng mặt trời ở rất xa so với trái đất, vì vậy tất cả tia mặt trời đều

có thể được coi là song song với nhau khi chúng đến trái đất

Hàng ngày trái đất quay quanh trục của nó theo một góc 23,450 so với trục của mặt phẳng quỹ đạo hoàng đạo xung quang mặt trời Độ nghiêng là nguyên nhân chính gây ra thay đổi theo mùa của bức xạ mặt trời tại bất kì vị trí nào trên trái đất Góc giữa đường nối mặt trời và trái đất (

đi qua tâm của chúng) và mặt phẳng qua đường xích đạo được gọi là độ nghiêng mặt trời, δs Độ nghiêng thay đổi giữa trong khoảng từ -23,450 vào 21 tháng 12 đến +23,450

vào 21 tháng 6 Nói theo cách khác, giá trị của độ nghiêng cũng bằng với giá trị vĩ tuyến tại đó mặt trời chiếu thẳng trên đỉnh đầu vào ban trưa vào một ngày cho trước Chí tuyến Bắc (23.450 Bắc) và chí tuyến Nam (23,450 Bắc) tại vĩ tuyến cực hạn trong đó mặt trời chiếu thẳng trên đỉnh đầu ít nhất một lần trong năm như được mô tả trong hình 2.6 Vòng Bắc cực và vòng Nam cực được xác định như là những đường vĩ tuyến mà trên đó mặt trời không mọc bên trên mặt phẳng nằm ngang ít nhất một lần một năm Tương ứng, chúng được xác định tại 66120Bắc và 66120Nam Độ nghiêng bắc của đường xích đạo ( mùa hè tại bán cầu Bắc) dương, độ nghiêng Nam âm Độ nghiêng mặt trời có thể được ước tính theo hệ thức*

Để phục vụ cho mục đích của cuốn sách này, quan điểm Ptolemaic về sự chuyển động của mặt trời khiến cho việc phân tích đơn giản hơn Sẽ thuận tiện hơn nếu giả thuyết rằng trái đất không chuyển động và miêu tả sự chuyển động của mặt trời trong một hệ trục tọa độ gắn với trái đất với gốc tại vị trí tùy ý Hình 2.8 chỉ ra một cách rõ ràng hướng mặt trời tới vị trí người quan sát Vị trí của mặt trời có thể được miêu tả bằng hai góc tại bất kì thời điểm nào, góc cao và góc

phương vị, như chỉ ra trong hình 2.8 Góc cao mặt trời,α là góc giữa 1 đường tuyến tính với tia

mặt trời và một mặt phẳng nằm ngang Góc phương vị mặt trời αslà góc giữa một đường nam phù hợp và hình chiếu của vị trí đường mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang Quy ước kí hiệu sử dụng cho góc phương vị là dấu dương tại tây bắc và dấu âm tại đông bắc Góc thiên đỉnh, z là góc giữa vị trí hướng tới đường mặt trời và đường thẳng đứng tại vị trí đó:

90o

Z = − α (2.24) Góc cao mặt trời và góc thiên đỉnh không phải là những góc cơ sở Chính vì vậy, chúng cần phải được liên hệ với đại lượng góc cơ sở như, góc giờ, độ cao và độ nghiêng Ba góc này đã được chỉ ra trong Hình 2.9 Góc giờ mặt trời hs phụ thuộc vào thời gian danh nghĩa là 24 h cần thiết để mặt trời quay 3600 xung quanh trái đất hay chính là quay 150mỗi giờ Chính vì vậy hs

được xác định như sau:

hs= 150 ( số giờ từ lúc chính ngọ) =

B

A

(2.25) A: Số phút từ lúc chính ngọ

B: 4 phút/ góc

Một lần nữa, giá trị Đông nam phù hợp, hay chính là giá trị vào buổi sáng, là âm, và giá trị Tây nam phù hợp là dương

Bảng 2.2 Tổng kết lịch sao mặt trời

Độ nghiêng Phương trình thời gian Độ nghiêng Phương trình thời gian

a Vì mỗi năm dài 365,25 ngày, giá trị chính xác của độ nghiêng thay đổi theo năm The American

Ephemeris and Nautical Almanac do văn phòng in ấn chính phủ xuất bản mỗi năm chứa những giá trị chính xác cho mỗi ngày của một năm

Góc cao L là góc giữa đường từ tâm của trái đất xuống vị trí và mặt phẳng xích đạo Có thể đọc độ cao từ bản đồ và được coi là âm ở phía Bắc xích đạo và âm ở phía nam xích đạo

2.3.1 Thời gian và góc mặt trời

Có thể tính được tính từ giờ mặt trời địa phương, thời gian này khác với thời gian chuẩn địa phương Mối quan hệ giữa giờ mặt trời địa phương và thời gian chuẩn địa phương (LST) là

Giờ mặt trời = LST +ET +(lst-llocal).4phút /độ (2.26)

ET là phương trình thời gian, đó là hệ số điều chỉnh đóng vai trò trong việc tính toán mức độ không ổn định của tốc độ chuyển động của trái đất quanh mặt trời; lst là kinh tuyến thời gian chuẩn,

và lđịa phương là kinh tuyến địa phương Có thể ước tính ET từ bảng 2.2 hoặc tính toán từ phương trình kinh nghiệm sau đây:

ET ( tính bằng phút) =9.87 sin 2 B -7.53 cos B -1.5 sin B (2.27) trong đó B = 360 (n-81)/364 độ

Có thể tìm góc cao mặt trời α bằng cách ứng dụng định luật Cosin đối với hình của Hình 2.9

và đơn giản hóa như sau:

sinα=sin L sin δs