Bài giảng HTNLX Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 1
0
Bài giảng:
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG XANH
ĐH BÁCH KHOA TP.HCM
Giảng viên: ThS. Trần Công Binh
1/2019
Hệ thống năng lượng xanh 1
C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Hệ thống năng lượng xanh 2
C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
1. Nguồn năng lượng mặt trời (góc lắp đặt)
2. Tế bào quang điện
3. Đặc tuyến I-V của pin quang điện
4. Công nghệ chế tạo pin quang điện
5. Đặc tính làm việc của pin quang điện
6. Hệ điện mặt trời độc lập
7. Hệ điện mặt trời hòa lưới
8. Tính toán kinh tế cho hệ hòa lưới
9. Xu hướng sử dụng năng lượng mặt trời
10.Giải pháp công nghệ cho các hệ điện mặt trời
Hệ thống năng lượng xanh 3
C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
LEED
Green Mark
LOTUS
EDGE
Hệ thống năng lượng xanh 4
Tiêu chí sử dụng năng lượng hiệu quả, khuyến
khích trang bị hệ thống năng lượng tái tạo như
năng lượng mặt trời để được chứng nhận CÔNG
TRÌNH XANH:
•LEED: Hội đồng công trình xanh Mỹ
•Green Mark:Bộ xây dựng Singapore
•LOTUS: Hội đồng công trình xanh Việt Nam
•EDGE: Tổ chức thương mại thế giới
C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Hệ thống năng lượng xanh 5
1. Nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời
Trước khi nói về năng lượng mặt trời, hãy tìm hiểu
về mặt trời:
•Như cường độ ánh nắng ra sao
•Bức xạ mặt trời ra sao (insolation: incident solar
radiation)
•Bức xạ trung bình nhận được mỗi ngày
•Vị trí của mặt trời ở đâu tại mọi thời điểm
•Chọn vị trí và góc lắp đặt dàn pin mặt trời sao
cho hiệu quả nhất
Bài giảng HTNLX Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 2
Hệ thống năng lượng xanh 6
noyau
Earth
0,3 109GWh
Renewable energy ressources on Earth by year
sun
1600 109GWh
30%
directly
re-emitted to
space
Moon
25 106GWh
45%
720 109
GWh
transforme
d
In heat
25%
converted at
surface
and
atmosphère
Réf. : human activities : 140. 106GWh
Photosynthesis
(0,24%) 109GWh
Hydrocarbon fossil = stored solar energy
- Hydro cycles
(88%) 350 109GWh
- wind, waves 32 109GWh
27 years = 1 day
Hệ thống năng lượng xanh 7
Nguồn năng lượng mặt trời
1377
W/m2
1000
W/m2
Hệ thống năng lượng xanh 8
Nguồn năng lượng mặt trời
1377
W/m2
1000
W/m2
Hệ thống năng lượng xanh 9
Bức xạ của lỗ đen và mặt trời
•Mặt trời
–Đường kính 1.4 triệu km
–Tổng công suất bức xạ điện từ là 3.8 x 1020 MW
•Vật thể đen
–Là vật thể vừa hấp thụ hoàn toàn, vừa bức xạ hoàn hảo
–Bức xạ hoàn hảo – phát xạ lượng năng lượng trên mỗi
đơn vị diện tích nhiều hơn bất kỳ một vật thể thực ở
cùng nhiệt độ.
–Hấp thụ hoàn toàn – hấp thụ tất cả bức xạ, hoàn toàn
không có phản xạ.
Hệ thống năng lượng xanh 10
Định luật Plank
•Định luật Plank – bước sóng phát xạ từ vật thể đen phụ
thuộc vào nhiệt độ của nó
8
5
3.74 10 (7.1)
14400
exp 1
E
T
=

−




•λ= bước sóng (μm)
•Eλ= công suất phát xạ trên mỗi đơn vị diện tích của
vật thể đen (W/m2-μm)
•T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
Hệ thống năng lượng xanh 11
Định luật Stefan-Boltzmann
•Tổng công suất bức xạ của vật thể đen được tính bằng
định luật bức xạ Stefan –Boltzman
4 (7.2)E A T
=
•E = tổng công suất phát xạ của vật thể đen (W)
•σ= hằng số Stefan-Boltzmann = 5.67x10-8 W/m2-K4
•T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
•A= tổng diện tích bề mặt của vật thể đen (m2)
Bài giảng HTNLX Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 3
Hệ thống năng lượng xanh 12
Phổ điện từ
Source: www.en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation
Ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng trong khoảng 0.4 đến 0.7 μm,
với bước sóng của tia tử ngoại ngắn hơn và tia hồng ngoài dài hơn
( ) (c = 300.000km/s)
()
=c
mf Hz
Hệ thống năng lượng xanh 13
Bức xạ của trái đất
•Ví dụ 7.1: Trái đất là một vật thể đen, có
nhiệt độ trung bình 17oC, diện tích bề mặt
5,1x1014m2. Tính công suất bức xạ và bước
sóng có công suất bức xạ đỉnh. So sánh với
bước sóng bức xạ đỉnh của mặt trời 5800oK.
4 (7.2)E A T
=
max
2898
( ) (7.3)
()

=o
mTK
Hệ thống năng lượng xanh 14
Quy tắc Wien
•Bước sóng mà công suất bức xạ trên mỗi đơn vị diện
tích lớn nhất là
•T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
•λ= bước sóng (μm)
•λmax =0.5 μm cho mặt trời, T= 5800 K
•λmax =10.1 μm với trái đất (một vật đen), T= 288 K
max
2898
( ) (7.3)
()

=o
mTK
Hệ thống năng lượng xanh 15
Phổ bức xạ của trái đất ở 288oK
Trái đất là một vật thể đen phát xạ ở 288K
Hình 7.1
Diện tích dưới đường cong là tổng công suất bức xạ phát ra
Hệ thống năng lượng xanh 16
Phổ bức xạ của mặt trời bên ngoài khí quyển
Hình 7.2
Hệ thống năng lượng xanh 17
Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất
Bài giảng HTNLX Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 4
Hệ thống năng lượng xanh 18
Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất
m=0: bên ngoài bầu
khí quyển, tia nắng
màu xanh da trời.
m=1: trên mặt đất vào
giữa trưa, tia nắng
màu vàng trắng.
m=5: trên mặt đất vào
chiều tối, tia nắng màu
đỏ cam.
Hệ thống năng lượng xanh 19
Tỷ trọng khí quyển m- Air Mass Ratio
•h1= chiều dài đường đi qua bầu khí quyển với ánh
nắng mặt trời ngay trên đỉnh đầu
•h2= chiều dài đường đi qua bầu khí quyển để đến bề
mặt trái đất
Hình 7.3
Khi tia nắng băng
qua bầu khí quyển,
lượng năng lượng
đến được bề mặt
trái đất sẽ bị suy
hao
Hệ thống năng lượng xanh 20
Tỷ trọng khí quyển m- Air Mass Ratio
•Air Mass ratio bằng 1 (“AM1”) đồng nghĩa với mặt trời
ngay trên đỉnh đầu (m=1)
•AM1.5 là trị trung bình trên bề mặt trái đất (m=1.5),
spectrum under Standard Test Conditions (STC)
•AM0 ở bên ngoài bầu khí quyển
β= góc cao độ của mặt trời (90o)
2
1
1
=sin
=h
h
Air Mass ratio: m
Hình 7.3
Hệ thống năng lượng xanh 21
Quỹ đạo trái đất
•Quay một vòng mất 365.25 ngày theo quỹ đạo hình elip
•Khoảng cách từ trái đất đến mặt trời:
•n= số ngày (bắt đầu từ ngày 1.1)
•d(km) thay đổi từ 147x106km vào ngày 2.1 đến
152x106km vào ngày 3.7 (tương ứng với mùa đông và
mùa hè)
•Đơn vị góc tính bằng độ cho cả chương này.
Hệ thống năng lượng xanh 22
Quỹ đạo trái đất
Hình 7.5
Với các ứng dụng năng lượng mặt trời, sẽ xem xét các đặc
điểm của quỹ đạo của trái đất là không thay đổi
Hệ thống năng lượng xanh 23
Quỹ đạo trái đất
•Trong một ngày, trái đất quay 360,99˚
•Quỹ đạo trái đất quay còn gọi là mặt phẳng hoàn
đạo
•Trái đất quay quanh một trục nghiên 23.45˚
•Ban ngày và ban đêm dài bằng nhau vào ngày
21.3 và 21.9 (Xuân phân và Thu phân)
•Đông chí là ngày mà Bắc cực xa mặt trời nhất
•Hạ chí là ngày Bắc cực gần mặt trời nhất
Bài giảng HTNLX Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 5
Hệ thống năng lượng xanh 24
Thiên độ δ- Solar Declination
•Thiên độ δ– là góc hợp bởi mặt phẳng xích
đạo với đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm
trái đất (δ<0 khi mặt trời ở bán cầu Nam)
•δbiến thiên trong khoảng +/-23.45˚
•Là một hàm của hình sin tính theo ngày, bắt
đầu từ ngày Xuân phân (n=81 ) tính cho cả
năm 365 ngày.
( )
360
23.45sin 81 (7.6)
365 n

=−


Hệ thống năng lượng xanh 25
Vị trí mặt trời theo thời gian trong năm
•Tính toán vị trí mặt trời bất kỳ thời điểm nào
•Từ đó xác định góc nghiêng cho dàn pin mặt trời
•Xác định vị trí mặt trời
Hình 7.6
Thiên độ
Xuân phân
Thu phân
Đông chí
Hạ chí
Hệ thống năng lượng xanh 26
Ví dụ 7.2 – Góc lắp dàn PV
•Bảng 7.1:
•Tính góc thiên độ của ngày 25 tháng 8?
Hệ thống năng lượng xanh 27
Góc thu giữa trưa
•Giữa trưa – khi mặt
trời chiếu thẳng theo
đường kinh tuyến
•Phía Bắc bán cầu –
mặt phẳng thu sẽ
nghiêng một góc bằng
đúng với vĩ độ vào
thời điểm Xuân phân
•Vào chính trưa, tia
nắng vuông góc với
tấm thu
Hình 7.8
L = vĩ độ (độ)
L < 0 ở bán cầu Nam
Hệ thống năng lượng xanh 28
Cao độ giữa trưa βN- Altitude Angle
•Góc cao độ giữa trưa là góc giữa tia nắng mặt trời với
mặt phẳng trái đất
•Zenith –trục hướng tâm, vuông góc với mặt phẳng trái
đất (hay đường chân trời)
90 (7.7)
NL

= − +
Hình 7.9
(N90o: Nam)
(N> 90o: Bắc, →lấy góc bù)
at Noon
Hệ thống năng lượng xanh 29
Ví dụ 7.2 – Góc lắp dàn PV
•Tìm góc lắp đặt tối ưu của dàn pin mặt trời phẳng, lắp
đặt cố định ở TP.HCM (10o45’00” vĩ Bắc) giữa trưa
vào ngày 25 tháng 8.
90= = −
NN
Tilt

Nếu tính theo Nchưa bù
(N< 0o: Bắc, →lấy độ lớn)