Bài giảng "Năng lượng tái tạo - Chương 2 (Bài 2): Năng lượng mặt trời" cung cấp cho người học các kiến thức về nguồn năng lượng mặt trời bao gồm: Phổ mặt trời, quỹ đạo trái đất, góc chiếu của mặt trời vào giữa trưa, vị trí mặt trời theo giờ trong ngày, phân tích bóng che dùng sơ đồ hướng mặt trời, tính giờ mặt trời theo múi giờ, mặt trời mọc và lặn. Mời các bạn cùng tham khảo.
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn
Bài giảng 2
1
2.1. Nguồn năng lượng mặt trời
Phổ mặt trời
Quỹ đạo trái đất
Góc chiếu của mặt trời vào giữa trưa
Vị trí mặt trời theo giờ trong ngày
Phân tích bóng che dùng sơ đồ hướng mặt trời
Tính giờ mặt trời theo múi giờ
Bài giảng 2
2
Mặt trời mọc và lặn
Để tìm hiểu năng lượng mặt trời, cần tìm hiểu về mặt
trời
Cần biết có bao nhiêu năng lượng ánh sáng
Có thể dự đoán vị trí mặt trời ở thời điểm bất kỳ
Bức xạ (insolation: incident solar radiation)
Muốn xác định bức xạ trung bình mỗi ngày ở một vị trí
Muốn có thể chọn vị trí và góc nghiêng hiệu quả cho
Bài giảng 2
3
các tấm pin mặt trời
Mặt trời: đường kính 1,4x 106 km, công suất bức xạ
3,8.1020 MW
Vật đen
Vừa là vật phát xạ lý tưởng, vừa là vật hấp thụ lý
tưởng
Phát xạ lý tưởng: phát xạ nhiều năng lượng hơn
vật thể thực ở cùng nhiệt độ
Bài giảng 2
4
Hấp thụ lý tưởng: hấp thụ toàn bộ, không phản xạ
Các bước sóng phát ra bởi vật đen phụ thuộc vào
8
nhiệt độ của nó:
74,3
10
(cid:0)
(cid:0)
E
(cid:0)
5
(cid:0)
(cid:0) (cid:0)
14400 (cid:0) Te
1
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
(cid:0) (cid:0)
(cid:0) = bước sóng ((cid:0) m)
E(cid:0) = công suất phát ra trên đơn vị diện tích (W/m2-(cid:0) m)
Bài giảng 2
5
T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể ((cid:0) K)
Bài giảng 2
6
Ánh sáng thấy được có bước sóng nằm giữa 0,4 và 0,7 (cid:0) m, tử ngoại ngắn hơn, hồng ngoại dài hơn.
Bài giảng 2
7
Diện tích dưới đường cong = tổng công suất bức xạ
Tổng công suất bức xạ theo định luật bức xạ Stefan -
Boltzmann:
(cid:0)
E = tổng công suất bức xạ (W)
(cid:0) = hằng số Stefan-Boltzmann = 5,67.10-8 W/m2-K4
T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể ((cid:0) K)
Bài giảng 2
8
A = diện tích bề mặt vật đen (m2)
(cid:0)
Bước sóng tại đó phổ bức xạ đạt cực đại:
max
2898 T
(cid:0)
T = nhiệt độ tuyệt đối ((cid:0) K) (cid:0) = bước sóng ((cid:0) m)
(cid:0)
max = 0,5 (cid:0) m đối với mặt trời, 5800 (cid:0) K max = 10,1 (cid:0) m với trái đất (xem như vật đen), 288 (cid:0) K
Bài giảng 2
9
(cid:0)
Bài giảng 2
10
h1 = chiều dài đường đi khi thẳng góc
Bài giảng 2
11
h2 = chiều dài đường đi ở góc bất kỳ (cid:0) = góc cao độ của tia sáng mặt trời
m sẽ tăng khi mặt trời xuất hiện thấp hơn. Phổ màu
xanh bị hao hụt nhiều đối với giá trị m cao, vì vậy mặt
Bài giảng 2
12
trời có vẻ đỏ hơn khi mọc và lặn.
Trong một ngày, trái đất quay 360,99(cid:0)
Trái đất quét thành mặt phẳng elip khi di chuyển Trục trái đất nghiêng 23,45(cid:0)
Điểm xuân phân, thuphân – ngày bằng đêm, xảy ra
vào 21 tháng ba, và 21 tháng chín.
Đông chí – Bắc cực nghiêng xa nhất so với mặt trời
Bài giảng 2
13
Hạ chí – Bắc cực nghiêng gần nhất so với mặt trời
Với các ứng dụng điện mặt trời, chúng ta xem quỹ đạo của
trái đất là không đổi.
Bài giảng 2
14
Góc suy giảm (cid:0) – góc tạo bởi mặt phẳng xích đạo và
đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất.
(cid:0) thay đổi giữa (cid:0) 23,45(cid:0)
Giả sử biến thiên hình sin, một năm có 365 ngày, và
n=81 ứng với xuân phân, có thể xấp xỉ (cid:0) theo
(cid:0) (cid:0)
(cid:0)
n
45,23
sin
81
360 365
Bài giảng 2
15
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Một cách nhìn khác
Dự đoán vị trí của mặt trời vào thời điểm bất kỳ
Bài giảng 2
16
Chọn góc nghiêng tốt nhất cho các tấm PV
Đứng bóng – mặt trời
nằm ngay trên kinh
tuyến địa phương
Quy tắc vàng cho bắc
bán cầu – bộ thu hướng
về chính nam nghiêng 1
góc bằng vĩ độ.
Khi đứng bóng, tia sáng mặt trời đập vuông góc vào
Bài giảng 2
17
bề mặt bộ thu.
N – góc giữa mặt trời và
Góc cao độ khi đứng bóng (cid:0)
chân trời địa phương.
N = 90(cid:0) – L + (cid:0)
(cid:0)
Thiên đỉnh (zenith) –
trục thẳng đứng tại
Bài giảng 2
18
điểm đang xét.
Tìm góc nghiêng tối ưu cho module PV hướng về phía nam nằm ở Tp. HCM (vĩ độ 10,97(cid:0) ) khi đứng bóng vào
ngày 01 tháng ba.
N = 90(cid:0) – 10,97(cid:0) – 8,3(cid:0) = 70,73(cid:0)
Từ bảng 7.1, ngày 01/3 có chỉ số ngày là 60. Tính ra góc suy giảm (cid:0) = - 8,3(cid:0) Góc cao độ là (cid:0)
Để tia sáng mặt trời vuông góc với tấm PV, cần nghiêng
một góc = 90(cid:0) – 70,73(cid:0) = 19,27(cid:0)
Bài giảng 2
19
Cách tính nhanh hơn?
Vị trí được mô tả theo góc cao độ (cid:0) và góc phương vị
s.
của mặt trời (cid:0)
s phụ thuộc vào vĩ độ, chỉ số ngày, và thời điểm.
(cid:0) và (cid:0)
s)
Quy ước góc phương vị ((cid:0)
- dương vào buổi sáng khi mặt trời ở hướng đông
- âm vào buổi tối khi mặt trời ở hướng tây
- phương tham chiếu (cho bắc bán cầu) là chính nam
Bài giảng 2
20
Góc giờ lấy tham chiếu là đứng bóng
Bài giảng 2
21
Góc giờ H – số độ mà trái đất phải quay thêm để mặt
trời đến kinh tuyến địa phương của bạn.
Nếu xem trái đất quay mỗi giờ được 15(cid:0) , ta có
Góc giờ H = (15(cid:0) /giờ)(số giờ trước khi đứng bóng)
Vào lúc 11 giờ sáng, H = +15(cid:0) (trái đất cần quay thêm
1 giờ nữa)
Bài giảng 2
22
Vào lúc 2 giờ chiều, H = –30(cid:0)
sin((cid:0) ) = cos(L)cos((cid:0) )cos(H) + sin(L)sin((cid:0) )
s) = [(cos((cid:0) )sin(H)]/cos((cid:0) )
sin((cid:0)
H = góc giờ
L = vĩ độ (tính bằng độ)
Kiểm tra để xác định xem góc nhỏ hơn hay lớn hơn
90(cid:0) so với hướng chính nam:
s| (cid:0)
nếu cos(H) (cid:0) tan((cid:0) )/tan(L), thì |(cid:0) 90(cid:0) ,
s| > 90(cid:0)
Bài giảng 2
23
ngược lại |(cid:0)
Tìm góc cao độ và góc phương vị lúc 3 giờ chiều ở Bình
s) = cos(23,45(cid:0) )sin(–45(cid:0) )/cos(45.43(cid:0) ) = -0,9244
Dương (vĩ độ 10,93(cid:0) ) vào ngày hạ chí. Vào ngày hạ chí, góc suy giảm (cid:0) = 23,45(cid:0) Góc giờ = (15(cid:0) )(-3) = –45(cid:0) (cid:0) = cos(10,93(cid:0) )cos(23,45(cid:0) )cos(–45(cid:0) ) sin((cid:0) + sin(10,93(cid:0) )sin(23,45(cid:0) ) = 0,7124 (cid:0) = 45,43(cid:0) sin((cid:0)
s = 247,6(cid:0) . Tại sao?
Bài giảng 2
24
Chọn (cid:0)
Ta đã biết cách xác định vị trí mặt trời
Điều này cũng giúp xác định địa điểm nào sẽ bị bóng
che vào thời điểm nào đó
Vẽ các góc phương vị và cao độ của cây, tòa nhà, và
các vật cản khác
Những phần lược đồ quỹ đạo mặt trời bị che khuất cho
Bài giảng 2
25
biết thời điểm mà địa điểm đó sẽ bị bóng che.
Bài giảng 2
26
Hầu hết công việc của điện mặt trời liên quan đến giờ
mặt trời, được đo tương đối so với đứng bóng
Tuy nhiên, đôi khi cần liên hệ với giờ đồng hồ
Cần có hai điều chỉnh: điều chỉnh theo kinh độ liên quan
đến múi giờ, và sự chuyển động không đều của trái đất
quanh mặt trời
Giờ mặt trời lệch 4 phút cho mỗi kinh độ
Bài giảng 2
27
Giờ đồng hồ có 24 múi giờ, mỗi mũi trải trên 15 kinh độ
Bài giảng 2
28
Quỹ đạo elip của trái đất làm cho chiều dài của ngày
thay đổi suốt năm
Sai lệch E giữa một ngày 24 giờ và 1 ngày mặt trời:
E = 9,87sin(2B) – 7,53cos(B) – 1,5sin(B) (phút)
B = 360(n - 81)/364
n là chỉ số ngày
Kết hợp với hiệu chỉnh kinh độ, ta có
Giờ mặt trời = Giờ đồng hồ + 4 phút/độ*(kinh tuyến giờ địa
Bài giảng 2
29
phương – kinh độ quan sát) + E (phút)
Tìm thời điểm đứng bóng tại Boston (71,1(cid:0) kinh tây) vào
ngày 01/7.
01/7 có chỉ số ngày n = 182 B = 360(182-81)/364 = 99.89(cid:0)
E = 9,87sin(2B) – 7,53cos(B) – 1,5sin(B) = –3,5 phút Kinh tuyến giờ địa phương của Boston là 75(cid:0) , sai lệch là
75(cid:0) – 71,7(cid:0) và mỗi độ tương ứng với 4 phút
CT = ST – 4(phút/độ)(75(cid:0) –71,7(cid:0) ) – (–3,5 phút) = 11:49.9
Bài giảng 2
30
CT = 12:49.9 EST (xét Daylight Savings)
Có thể ước tính thời điểm mặt trời mọc và lặn
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
H
L
cos
tan
tan
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
L L
sin cos
sin cos
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) Bằng cách cho góc cao độ bằng 0 và giải theo góc giờ (cid:0) (cid:0)
Hai nghiệm H ứng với hai thời điểm, dấu + cho biết mặt
trời mọc, và dấu - ứng với mặt trời lặn
Có khác biệt giữa điều kiện hình học và dự báo thời tiết:
điều kiện hình học dựa vào tâm, còn dự báo thời tiết
Bài giảng 2
31
dựa vào đỉnh của mặt trời.
Bức xạ trực tiếp IBC đi theo đường thẳng qua khí quyển
đến bộ thu
Tán xạ IDC bị phân tán bởi các phân tử không khí
Phản xạ IRC từ các
Bài giảng 2
32
bề mặt gần bộ thu
Giá trị ban đầu để tính bức xạ trời quang
I0 xuyên vuông góc với một mặt phẳng tưởng tượng bên
ngoài khí quyển của trái đất.
I0 phụ thuộc vào khoảng cách giữa mặt trời và trái đất
và vào cường độ của mặt trời
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
I
SC
,01
034
cos
W/m2
0
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
n 360 365
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
SC = hằng số mặt trời = 1377 W/m2
Bài giảng 2
33
n = chỉ số ngày
Bức xạ sẽ bị suy giảm khi đi qua không khí, với quy luật
suy giảm dạng hàm mũ.
IB = Ae-km
IB = phần tia bức xạ đến được mặt đất A = thông lượng biểu kiến ngoài khí quyển
k = độ sâu quang học
Bài giảng 2
34
m = tỷ số khối lượng không khí
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
(cid:0) (cid:0)
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
RC
BH
DH
(cid:0) (cid:0)
Bài giảng 2
35
Hầu hết các hệ thống điện mặt trời gia dụng là cố định,
nhưng một số hệ thống bám theo cũng hiệu quả.
Các hệ thống bám theo có thể có một trục (thường gắn
đứng lên trụ) hoặc hai trục (trục ngang và trục dọc).
Con số ước tính cho phần thu thêm của hệ thống bám
theo là khoảng 20% cho một trục, và 25 đến 30% cho
Bài giảng 2
36
hệ thống có hai trục.
Với một hệ thống cố định, tổng năng lượng thu được
thường không nhạy cảm với góc nghiêng, nhưng vẫn có
Bài giảng 2
37
sự thay đổi về thời điểm nhiều năng lượng được tạo ra.
Bài giảng 2
38
![Bài giảng Kỹ thuật thủy khí Phan Anh Tuấn [Full/Mới nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2025/20250814/vijiraiya/135x160/15151755158760.jpg)
