Giáo trình Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng (Nghề: Thí nghiệm điện - Trung cấp) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên trình bày tổng quan về cấu trúc mặt trời và phản ứng hạt nhân, năng lượng bức xạ mặt trời; hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin mặt trời; thiết kế lắp đặt được hệ thống pin mặt trời.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng (Nghề: Thí nghiệm điện - Trung cấp) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG NGHỀ: THÍ NGHIỆM ĐIỆN TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số:206/QĐ-CĐDK ngày 1 tháng 3 năm 2022 của Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2022 (Lưu hành nội bộ)
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng nhằm trang bị cho học sinh sinh viên, học viên nghề những kiến thức cơ bản về năng lượng mặt trời, pin mặt trời… với những kiến thức này có thể áp dụng thực tế trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như các công trình về điện nhà máy điện hay các công trình nhà ở. Để xây dựng được giáo trình chúng tôi đã tham khảo các cơ sở thực tế nhà máy và các công trình điện khác nhằm rút ra những kinh nghiệp thực tế áp dụng và được đưa vào giảng dạy cho học sinh sinh viên, học viên những kiến thức cơ bản. Nội dung : gồm 4 chương Chương 1: Mặt trời và trái đất Chương 2: Năng lượng bức xạ mặt trời. Chương 3: Pin mặt trời Chương 4: Thiết bị nhiệt mặt trời Trong quá trình biên soạn có điều gì sai sót rất mong sự đóng góp của đồng nghiệp và độc giả. Bà Rịa - Vũng Tàu, tháng 6 năm 2022 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: Dương Tiến Trung 2. Lê Thị Thu Hường 3. Ninh Trọng Tuấn 4.
MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MẶT TRỜI VÀ TRÁI ĐẤT ............................................................... 5 CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI ............................................ 14 CHƯƠNG 3: PIN MẶT TRỜI ................................................................................ 26 CHƯƠNG 4: PIN MẶT TRỜI ................................................................................ 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 42
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Bên ngoài mặt trời........................................................................................... 6 Hình 2: Trái đất ......................................................................................................... 10 Hình 3: Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển ............................... 11 Hình 4: Dải bức xạ điện từ ......................................................................................... 15 Hình 5: Góc nhìn mặt trời .......................................................................................... 16 Hình 6:Quá trình truyền năng lượng qua lớp khí quyển của trái đất ........................... 17 Hình 7: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời của hệ mặt phẳng nghiêng 19 Hình 8: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuyếch tán ........................................ 21 Hình 9: Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng .................................................... 22 Hình 10: Quá trình hấp thu bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính ....................... 23 Hình 11: Xác định T và t() ....................................................................................... 24 Hình 12: Đo cường độ bức xạ mặt trời ....................................................................... 25 Hình 13: Thành phần cấu tạo của pin năng lượng mặt trời ......................................... 27
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG 1. Tên mô đun: Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng 2. Mã môn học: ELET55068 Thời gian thực hiện mô đun: 90 giờ; ; (Lý thuyết: 56 giờ; Thực hành: 29 giờ; kiểm tra 5 giờ). Số tín chỉ: 05 3. Vị trí, tính chất của mô đun: - Vị trí: Mô đun được bố trí học ở học kỳ 2, năm học thứ 2, sau các môn học lý thuyết cơ sở của chương trình đào tạo - Tính chất: Là mô đun đào tạo chuyên môn nghề bắt buộc 4. Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức:  Trình bày tổng quan về cấu trúc mặt trời và phản ứng hạt nhân, năng nượng bức xạ mặt trời.  Hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.  Thiết kế lắp đặt được hệ thống pin mặt trời.  Trình bày được cơ sở lý thuyết, ứng dụng các thiết bị nhiệt mặt trời. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:  Rèn luyện tính cẩn thận, chủ đô ̣ng, tư duy khoa ho ̣c, nghiêm túc trong công việc. 5. Nội dung mô đun: 5.1. Chương trình khung Thời gian đào tạo (giờ) Thực Kiểm Tín hành, tra Mã MH, MĐ Tên môn học, mô đun chỉ Tổng TT Lý thí nghiệm, số thuyết thảo luận, LT TH bài tập Các môn học I 14 285 117 153 10 5 chung/đại cương 1 COMP52001 Giáo dục chính trị 2 30 15 13 2 0 2 COMP51003 Pháp luật 1 15 9 5 1 0 3 COMP51007 Giáo dục thể chất 1 30 4 24 0 2 Giáo dục quốc phòng 4 COMP52009 2 45 21 21 1 2 và an ninh 5 COMP52005 Tin học 2 45 15 29 0 1 6 FORL54002 Tiếng anh 4 90 30 56 4 0
An toàn vệ sinh lao 7 SAEN52001 2 30 23 5 2 0 động Các môn học, mô đun II chuyên môn ngành, 58 1425 365 994 25 41 nghề Môn học, mô đun cơ II.1 12 255 98 143 7 7 sở 8 ELET5201 An toàn điện 2 30 28 0 2 0 9 ELET51165 Vẽ điện 1 30 0 29 0 1 10 ELET5308 Điện kỹ thuật cơ bản 3 45 42 0 3 0 11 ELEI53117 Khí cụ điện 3 75 14 58 1 2 12 ELEO53149 Thực tập điện cơ bản 3 75 14 56 1 4 Môn học, mô đun II.2 chuyên môn ngành, 46 1170 267 851 18 34 nghề Năng lượng mặt trời lý 13 ELET55068 5 90 56 29 4 1 thuyết và ứng dụng 14 ELEI53115 Đo lường điện 3 75 14 58 1 2 Phần điện nhà máy 15 ELET52137 2 45 14 29 1 1 điện và trạm biến áp Thí nghiệm mạch nguồn, mạch dòng, 16 ELET65142 5 120 28 87 2 3 mạch áp và mạch tín hiệu 17 ELET55141 Thí nghiệm khí cụ điện 5 120 28 87 2 3 Thí nghiệm máy cắt 18 ELET55143 5 120 28 87 2 3 điện Thí nghiệm thiết bị đo 19 ELET66146 6 150 28 116 2 4 lường điện Thí nghiệm thiết bị 20 ELET66147 6 150 28 116 2 4 trạm biến áp Thí nghiệm thiết bị 21 ELET55145 5 120 28 87 2 3 điện quay 22 ELET54251 Thực tập sản xuất 4 180 15 155 0 10 Tổng cộng 72 1710 482 1147 35 46 5.2. Chương trình chi tiết môn học: Thời gian (giờ) Thực hành, Kiểm tra Số TT Nội dung tổng quát Lý thí nghiệm, Tổng số thuyết thảo luận, LT TH bài tập Chương 1: Mặt trời và trái 1 9 8 1 đất
Thời gian (giờ) Thực hành, Kiểm tra Số TT Nội dung tổng quát Lý thí nghiệm, Tổng số thuyết thảo luận, LT TH bài tập Chương 2: Năng lượng bức 2 11 8 2 1 xạ mặt trời. 3 Chương 3: Pin mặt trời 41 15 24 1 1 Chương 4: Thiết bị nhiệt mặt 4 29 25 2 2 trời Cộng 90 56 29 4 1 6. Điều kiện thực hiện môn học 6.1. Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: - Phòng thí nghiệm điện 6.2. Trang thiết bị máy móc: - Máy tính, máy chiếu 6.3. Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: - Giáo trình, giáo án - Phiếu thực hành, phiếu học tập (nếu có) 6.4. Các điều kiện khác: 7. Nội dung và phương pháp đánh giá 7.1. Nội dung - Về kiến thức: Chương 1, 2, 3, 4 - Về kỹ năng: - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm  Nghiêm túc trong học tập.  Rèn luyện tính kiên nhẫn, chính xác tỉ mỉ trong công việc . 7.2. Phương pháp đánh giá kết thúc mô học theo một trong các hình thức sau: - Kiểm tra thường xuyên  Số lượng bài: 02  Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện tại thời điểm bất kỳ trong quá trình học thông qua việc kiểm tra vấn đáp trong giờ học, kiểm tra viết với thời gian làm bài bằng hoặc dưới 30 phút, kiểm tra một số nội dung thực hành, thực tập, chấm điểm bài tập. - Kiểm tra định kỳ: Thiết kế nội dung các bài kiểm tra dạng lý thuyết đánh giá bằng hình thức trắc nghiệm  Số lượng bài: 04  Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện theo theo số giờ kiểm tra được quy định trong chương trình môn học ở mục III có thể bằng hình thức kiểm tra viết từ 45 đến 60 phút, chấm điểm bài tập lớn, tiểu luận, làm bài thực hành, thực tập. Giáo viên biên soạn đề kiểm tra
lý thuyết kèm đáp án và đề kiểm tra thực hành kèm biểu mẫu đánh giá thực hành theo đúng biểu mẫu qui định, trong đó: Stt Bài kiểm tra Hình thức kiểm tra Nội dung Thời gian 1. Bài kiểm tra số 1 Lý thuyết Chương 1, Chương 2 45÷60 phút 2. Bài kiểm tra số 2 Thực hành Chương 3 45÷60 phút 3. Bài kiểm tra số 3 Lý thuyết Chương i 3 45÷60 phút 4. Bài kiểm tra số 4 Thực hành Chương 4 45÷60 phút - Thi kết thúc môn học: Thi thực hành,  Hình thức thi: Thực hành  Thời gian thi: 45÷60 phút 8. Hướng dẫn thực hiện môn học 8.1. Phạm vi áp dụng chương trình - Chương trình mô đun này được áp dụng cho nghề Thí nghiệm điện, hệ Cao đẳng/ Trung cấp 8.2. Hướng dẫn về phương pháp giảng dạy, học tập môn học: - Đối với giáo viên, giảng viên:  Thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết hoặc tích hợp hoặc thực hành phù hợp với bài học. Giáo án được soạn theo bài hoặc buổi dạy.  Tổ chức giảng dạy: (mô tả chia ca, nhóm...).  Thiết kế các phiếu học tập (nếu có). - Đối với người học:  Tài liệu, dụng cụ học tập, vở ghi đầy đủ  Hoàn thành các bài thực hành kỹ năng.  Tổ chức làm việc nhóm, làm việc độc lập.  Tuân thủ qui định an toàn, giờ giấc. 8.3. Những trọng tâm chương trình cần chú ý: 8.4. Tài liệu cần tham khảo: [1] Võ Đình Hiệp, Nguyễn Thiện Tống (1984), Khoa học kỹ thuật phục vụ nông thôn – Năng lượng, Nhà xuất bản Thành phố Hồ Chí Minh [2] Phạm Thanh Minh, (1998) Hệ mặt trời và các hành tinh, Nhà xuất bản Trẻ. [3] Nguyễn Dương Hùng, Nguyễn Bốn (2004) Giáo trình chuyên đề năng lượng mặt trời, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. [4] Đặng Đình Thống, (2005) Pin mặt trời và ứng dụng, Nhà xuất banr khoa học ky thuật. [5] A. A. Mohamad, (1997) High Efficiency Solar Air Heater, Solar Energy Vol. 60 No 2, Pergamon.
CHƯƠNG 1: MẶT TRỜI VÀ TRÁI ĐẤT  GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1: Chương 1 là chương giới thiệu về mặt trời và trái đất.  MỤC TIÊU CHƯƠNG 1: - Trình bày được cấu trúc của mặt trời. - Trình bày đượctổng quan các phản ứng hạt nhân trong mặt trời; - Trình bày được lý thuyết về sự thay đổi nhiệt độ theo các tầng khí quyển - Thái độ nghiêm túc trong giờ học.  PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 1 - Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập chương 1 (cá nhân hoặc nhóm). - Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 1) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 1 theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định.  ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 1 - Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Phòng thí nghiệm điện - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác - Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan. - Các điều kiện khác: Không có  KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1 - Nội dung:  Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức  Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng.  Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. + Nghiêm túc trong quá trình học tập. Tài liệu tham khảo Trang 5
- Phương pháp:  Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)  Kiểm tra định kỳ: không có  NỘI DUNG CHƯƠNG 1 1. Cấu trúc của mặt trời Mặt trời là 1 hành tinh nổi bật nhất trong hệ mặt trời của chúng ta. Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất). Lớp nhìn thấy bên ngoài của Mặt trời được gọi là không gian quang ảnh và có nhiệt độ 6.000 ° C (11.000 ° F). Lớp này có vẻ ngoài lốm đốm do sự phun trào hỗn loạn của năng lượng ở bề mặt. Hình 1: Bên ngoài mặt trời Năng lượng mặt trời được tạo ra sâu bên trong lõi của Mặt trời. Ở đây, nhiệt độ (15.000.000 ° C; 27.000.000 ° F) và áp suất (340 tỷ lần áp suất không khí của Trái đất ở mực nước biển) rất dữ dội đến mức xảy ra các phản ứng hạt nhân. Phản ứng này làm cho bốn hạt nhân proton hoặc hydro hợp nhất với nhau tạo thành một hạt alpha hoặc hạt nhân helium. Hạt alpha nặng hơn khoảng 7% so với bốn proton. Sự khác biệt về khối lượng được trục xuất dưới dạng năng lượng và được đưa lên bề mặt của Mặt trời, thông qua một quá trình được gọi là đối lưu , nơi nó được giải phóng dưới dạng ánh sáng và nhiệt. Năng lượng được tạo ra trong lõi của Mặt trời phải mất một triệu năm để chạm Tài liệu tham khảo Trang 6
tới bề mặt của nó. Cứ sau 700 triệu tấn hydro được chuyển thành tro helium. Trong quá trình 5 triệu tấn năng lượng tinh khiết được giải phóng; do đó, khi thời gian trôi đi, Mặt trời đang trở nên nhẹ hơn. 2. Phản ứng hạt nhân trong mặt trời Phản ứng tổ ng hơp̣ ha ̣t nhân Hêli Trong quá trình hình thành, nhiê ̣t đô ̣ bên trong mă ̣t trờisẽ tăng dầ n. Khi vùng tâm mă ̣t trời đa ̣t nhiê ̣t đô ̣ T 107K, thì có đủ điề u kiê ̣n để xảy ra phản ứng tổ ng hơp̣ Hêli từ Hydrô, theo phương trình : 4H1  He4 + q. Đây là phản ứng sinh nhiê ̣t q = m.c2, trong đó c = 3.108m/s là vâ ̣n tố c ánh sáng trong chân không, m = (4mH - mHe) là khố i lươṇ g bi ̣hu ̣t, đươc̣ biế n thành năng lươṇ g theo phương trình Einstein. Mỗi 1kg ha ̣t nhân H1 chuyể n thành He4 thì bi hu ̣ ̣t mô ̣t khố i lươṇ g m = 0,01kg, và giải phóng ra năng lươṇ g: q = m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J Lươṇ g nhiê ̣t sinh ra sẽ làm tăng áp suấ t khố i khí, khiế n mă ̣t trời phát ra ánh sáng và bức xa ̣, và nở ra cho đế n khi cân bằ ng với lực hấ p dẫn. Mỗi giây mă ̣t trời tiêu hủy hơn 420 triê ̣u tấ n hydro, giảm khố i lươṇ g m = 4,2 triê ̣u tấ n và phát ra năng lươṇ g Q = 3,8.1026W. Muố n đa ̣t nhiê ̣t đô ̣ ta ̣i tâm đủ cao để thành mô ̣t ngôi sao, thiên thể cầ n có khố i lươṇ g M  0,08M0, với M0 = 2.1030kg là khố i lươṇ g mă ̣t trời. Thời gian xảy ra phản ứng tổ ng hơp̣ Heli nằ m trong khoảng (1081010)năm, giảm dầ n khi khố i lươṇ g ngôi sao tăng. Khi khố i lươṇ g sao càng lớn nhiê ̣t đô ̣ và áp suấ t của phản ứng đủ cân bằ ng lực hấ p dẫn càng lớn, khiế n tố c đô ̣ phản ứng tăng, thời gian cháy Hydro giảm. Giai đoa ̣n đố t Hydro của mă ̣t trời đươc̣ khởi đô ̣ng cách đây 4,5 tỷ năm, và còn tiế p tu ̣c trong khoảng 5,5 tỷ năm nữa. Phản ứng tổ ng hơp̣ Cácbon và các nguyên tố khác Khi nhiên liê ̣u H2 dùng sắ p hế t, phản ứng tổ ng hơp̣ He sẽ yế u dầ n, áp lực bức xa ̣ bên trong không đủ ma ̣nh để cân bằ ng lực nén do hấ p dẫn, khiế n thể tích co la ̣i. Khi co la ̣i, khí He bên trong bi nẹ ́ n nên nhiê ̣t đô ̣ tăng dầ n, cho đế n khi đa ̣t tới nhiê ̣t đô ̣ 108K, sẽ xảy ra phản ứng tổ ng hơp̣ nhân Cacbon từ He : 3He4  C12 + q Phản ứng này xảy ra ở nhiê ̣t đô ̣ cao, tố c đô ̣ lớn, nên thời gian cháy He chỉ bằ ng1/30 thời gian cháy H2 khoảng 300 triê ̣u năm. Nhiê ̣t sinh ra trong phản ứng làm tăng áp suấ t bức xa ̣, khiế n ngôi sao nở ra hàng trăm lầ n so với trước. Lúc này mă ̣t ngoài sao nhiê ̣t đô ̣ khoảng 4000K, có màu đỏ, nên go ̣i là sao đỏ khổ ng lồ . Vào thời điể m là sao đỏ khổ ng lồ , mă ̣t trời sẽ nuố t chửng sao Thủy và sao Kim, nung trái đấ t đế n 1500K thành 1 hành tinh nóng chảy, kế t thúc sự số ng ta ̣i đây. Tài liệu tham khảo Trang 7
Kế t thúc quá trình cháy Heli, áp lực trong sao giảm, lực hấ p dẫn ép sao co la ̣i, làm mâ ̣t đô ̣ và nhiê ̣t đô ̣ tăng lên, đế n T= 5.106K sẽ xảy ra phản ứng ta ̣o Oxy: 4C12 3O16 + q Quá trình cháy xảy ra như trên, với tố c đô ̣ tăng dầ n và thời gian ngắ n dầ n. Chu trình cháy - tắ t - nén - cháy đươc̣ tăng tố c, liên tiế p thực hiê ̣n các phản ứng ta ̣o nguyên tố mới O16 -> Ne20 -> Na22 -> Mg24 -> Al26 -> Si28 -> P30 -> S32 ->... -> Cr52 -> Mn54 - > Fe56 Các phản ứng trên đã ta ̣o ra hơn 20 nguyên tố , tâ ̣n cùng là sắ t Fe56 (gồ m 26 proton và 30 netron), toàn bô ̣ quá trình đươc̣ tăng tố c, xảy ra chỉ trong vài triê ̣u năm. Sau khi ta ̣o ra sắ t Fe56, chuỗi phản ứng ha ̣t nhân trong ngôi sao kế t thúc, vì viê ̣c tổ ng hơp̣ sắ t thành nguyên tố nă ̣ng hơn không có đô ̣ hu ̣t khố i lươṇ g, không phát sinh năng lươṇ g, mà cầ n phải cấ p thêm năng lươṇ g. Sự tiế n hóa cuả mặt trời Sau khi tạo ra sắ t, các phản ứng ha ̣t nhân sinh nhiê ̣t tắ t hẳ n, lực hấ p dẫn tiế p tu ̣c nén mă ̣t trời cho đế n “chế t”. Quá trình hoá thân của mă ̣t trời phu ̣ thuô ̣c cường đô ̣ lực hấ p dẫn, tức là tuỳ thuô ̣c vào khố i lươṇ g của nó, theo mô ̣t trong ba kicḥ bản như sau: Các sao có khố i lươṇ g M (0,7  1,4)M0: Sau khi hế t nhiên liê ̣u, từ mô ̣t sao đỏ khổ ng lồ đường kính 100.106 km co la ̣i thành sao lùn trắ ng đường kính cỡ 1500 km, là tra ̣ng thái dừng khi lực hấ p dẫn cân bằ ng với áp lực ta ̣o ra khi các nguyên tử đã ép sát la ̣i nhau, có khố i lươṇ g riêng cỡ 1012 kg/m3. Nhiê ̣t sinh ra khi nén làm nhiê ̣t đô ̣ bề mă ̣t sao đa ̣t tới 6000K, sau đó tỏa nhiê ̣t và nguội dầ n trong mô ̣t tỉ năm thành sao lùn đen hay sao sắ t, như mô ̣t xác sao không thấ y đươc̣ lang thang trong vũ tru ̣. Mă ̣t trời hoá kiế p theo kiể u này. Các sao có khố i lươṇ g M  (1,4 5)M0: Lực hấ p dẫn đủ ma ̣nh để ép nát nguyên tử, ép các ha ̣t nhân la ̣i sát nhau, làm tróc hế t lớp vỏ điê ̣n tử, ta ̣o ra mô ̣t khố i gồ m toàn neutron ép sát nhau và go ̣i là sao neutron, có đường kính cỡ 15 km và mâ ̣t đô ̣ 1018kg/m3. ̣ Quá trình co la ̣i với gia tố c lớn và bi chă ̣n đô ̣t ngô ̣t ta ̣i tra ̣ng thái neutron, ta ̣o ra mô ̣t chấ n đô ̣ng dữ dô ̣i, gây ra vu ̣ nổ siêu sao mới, go ̣i là supernova, phát ra năng lươṇ g bằ ng trăm triê ̣u lầ n năng lươṇ g mă ̣t trời, làm bắ n tung toàn bô ̣ các lớp ngoài của sao gồ m đủ các loa ̣i nguyên tố . Lớp vâ ̣t liê ̣u bắ n ra sẽ ta ̣o thành các đám bu ̣i vũ tru ̣ thứ cấ p, để hình thành các sao thứ cấ p sau đó. Sao neutron mới ta ̣o ra, còn go ̣i là pulsar, sẽ tự quay với tố c đô ̣ khoảng 630 vòng/s và phát bức xa ̣ rấ t ma ̣nh do ̣c tru ̣c, phát tán hế t năng lươṇ g sau vài triê ̣u năm và sẽ hế t quay, trở thành mô ̣t xác chế t trong vũ tru ̣. Các sao có khố i lươṇ g M 5M0: Tài liệu tham khảo Trang 8
Quá trình tổ ng hơp̣ các ha ̣t nhân nă ̣ng đươc̣ gia tố c, xảy ra rấ t nhanh. Sau khi hế t nhiên liê ̣u, do lực hấ p dẫn quá lớn, sao su ̣p đổ với gia tố c lớn, co la ̣i liên tu ̣c, không dừng la ̣i ở tra ̣ng thái neutron, đa ̣t tới bán kính Schwarzschild R = 2GMC2size 12{ { {2 ital "GM"} over {C rSup { size 8{2} } } } } {}, ta ̣o thành mô ̣t lỗ đen, kèm theo mô ̣t vu ̣ nổ siêu sao mới. Lỗ đen có khố i lươṇ g riêng khoảng 1023 kg/m3, ta ̣o ra trường hấ p dẫn rấ t ma ̣nh, làm cong không gian xung quanh tới mức vâ ̣t chấ t kể cả ánh sáng cũng không thể thoát ra đươc̣ . Mo ̣i thiên thể đế n gầ n đề u bi cuố ̣ n hút như mô ̣t xoáy nước khổ ng lồ . Nế u đươc̣ nén đế n tra ̣ng thái lỗ đen, đa ̣t tới bán kính hấ p dẫn, thì bán kính Quả đấ t chỉ bằ ng 3cm, bán kính mă ̣t trời là 3 km. 3. Trái đất và khí quyển trái đất Trái đấ t đươc̣ hình thành cách đây gầ n 5 tỷ năm từ mô ̣t vành đai bu ̣i khí quay quanh mă ̣t trời, kế t tu ̣ thành mô ̣t quả cầ u xố p tự xoay và quay quanh mă ̣t trời. Lực hấ p dẫn ép quả cầ u co la ̣i, khiế n nhiê ̣t đô ̣ nổ tăng lên hàng ngàn đô ̣, làm nóng chảy quả cầ u, khi đó các nguyên tố nă ̣ng như Sắ t và Niken chìm dầ n vào tâm ta ̣o lõi quả đấ t, xung quanh là magma lỏng, ngoài cùng là khí quyể n sơ khai gồ m H2, He, H2O, CH4, NH3 và H2SO4. Trái đấ t tiế p tu ̣c quay, tỏa nhiê ̣t và nguô ̣i dầ n. Cách đây 3,8 tỷ năm nhiê ̣t đô ̣ đủ nguô ̣i để Silicat nổ i lên trên mă ̣t magma rồ i đông cứng la ̣i, ta ̣o ra vỏ trái đấ t dày khoảng 25km, với núi cao, đấ t bằ ng và hố sâu. Năng lươṇ g phóng xa ̣ trong lòng đấ t với bức xạ mă ̣t trời tiế p tu ̣c gây ra các biế n đổ i điạ tầ ng, và ta ̣o ra thêm H2O, N2, O2, CO2 trong khí quyể n. Khí quyể n nguô ̣i dầ n đế n đô ̣ nước ngưng tu ̣, gây ra mưa kéo dài hành triê ̣u năm, tạo ra sông hồ , biể n và đa ̣i dương. Cách đây gầ n 2 tỷ năm, những sinh vâ ̣t đầ u tiên xuấ t hiê ̣n trong nước, sau đó phát triể n thành sinh vâ ̣t cấ p cao và tiế n hoá thành người. Trái đất, hành tinh thứ 3 tính từ mặt trời, cùng với mặt trăng một vệ tinh duy nhất tạo ra một hệ thống hành tinh kép đặc biệt. Trái đất là hành tinh lớn nhất trong số các hành tinh bên trong của hệ mặt trời với đường kính ở xích đạo 12.756 km. Nhìn từ không gian, trái đất có màu xanh, nâu và xanh lá cây với những đám mây trắng thường xuyên thay đổi. Bề mặt trái đất có một đặc tính mà không một hành tinh nào khác có: hai trạng thái của vật chất cùng tồn tại bên nhau ở cả thể rắn và thể lỏng. Vùng ranh giới giữa biển và đất liền là nơi duy nhất trong vũ trụ có vật chất hiện hữu ổn định trong cả 3 thể rắn, lỏng và khí. Tài liệu tham khảo Trang 9
Hình 2: Trái đất Về cấ u ta ̣o, bên trong trái đấ t đươc̣ chia ra 4 lớp. Trong cùng là nhân trong, có bán kính r  1300km, nhiê ̣t đô ̣ T  4000K, gồ m Sắ t và Niken bi ̣ nén cứng. Tiế p theo là nhân ngoài, có r  (1300  3500)km, nhiê ̣t đô ̣ T  (2000  4000)K, gồ m Sắ t và Niken lỏng. Kế tiế p là lớp magma lỏng, chủ yế u gồ m SiO và Sắ t, có r  (3500  6350)km, nhiê ̣t đô ̣ T  (1000  2000)K. Ngoài cùng là lớp vỏ cứng dày trung bình 25 km, có nhiê ̣t đô ̣ T  (300  1000)K, chủ yế u gồ m SiO và H2O. Lớp vỏ này gồ m 7 mảng lớn và hơn 100 mảng nhỏ ghép la ̣i, chúng trôi trươṭ và va đâ ̣p nhau, gây ra đô ̣ng đấ t và núi lửa, làm thay đổ i điạ hình. Hành tinh trái đất di chuyển trên một quỹ đạo gần ellip, mặt trời không ở tâm của ellip, mà là tại một trong 2 tiêu điểm. Trong thời gian một năm, có khi trái đất gần, có khi xa mặt trời đôi chút, vì quỹ đạo ellip của nó gần như hình tròn. Hàng năm, vào tháng giêng, trái đất gần mặt trời hơn so với vào tháng 7 khoảng 5 triệu km, sự sai biệt này quá nhỏ so với khoảng cách mặt trời đến trái đất. Chúng ta không cảm nhận được sự khác biệt này trong một vòng quay của trái đất quanh mặt trời, hay trong một năm, sự khác biệt về khoảng cách này hầu như không ảnh hưởng gì đến mùa đông và mùa hè trên trái đất, chỉ có điều là vào mùa đông chúng ta ở gần mặt trời hơn so với mùa hè chút ít. Trái đất chuyển động quanh mặt trời, đồng thời nó cũng tự quay quanh trục của nó. Trong thời gian quay một vòng quanh mặt trời, trái đất quay 365 và 1/4 vòng quanh trục. Chuyển động quay quanh mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động quay quanh trục tạo nên ngày và đêm trên trái đất. Trục quay của trái đất không thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đông và mùa hè. Trái đất quay, vì thế đối với chúng ta đứng trên trái đất có vẻ như các vì sao cố định được gắn chặt với quả cầu bầu trời quay xung quanh chúng ta. Chuyển động quay của trái đất không quá nhanh để lực ly tâm của nó có thể bắn chúng ta ra ngoài không gian. Lực ly tâm tác dụng lên mọi vật cùng quay theo trái đất, nhưng vô cùng nhỏ. Lực ly tâm lớn nhất ở xích đạo nó kéo mọi vật thể lên phía trên và làm chúng nhẹ đi chút ít. Vì thế, mọi vật thể ở xích đạo cân nhẹ hơn năm phần ngàn so với ở hai cực. Hậu quả của chuyển động quay làm cho trái đất không còn đúng là quả cầu tròn đều nữa mà lực ly tâm làm cho nó phình ra ở xích đạo Tài liệu tham khảo Trang 10
một chút. Sự sai khác này thực ra không đáng kể, bán kính trái đất ở xích đạo là 6.378.140km, lớn hơn khoảng cách từ 2 cực đến tâm trái đất là gần 22km. Sự sống và các đại dương có khả năng tạo ra sự sống chỉ hiện hữu duy nhất trên trái đất. Trên các hành tinh khác gần chúng ta nhất như sao Kim thì quá nóng và sao Hỏa quá lạnh. Nước trên sao Kim nay đã bốc thành hơi nước, còn nước trên sao Hoả đã đóng thành băng bên dưới bề mặt của nó. Chỉ có hành tinh của chúng ta là phù hợp cho nước ở thể lỏng với nhiệt độ từ 0 đến 100oC. Xung quanh trái đấ t có lớp khí quyể n dày khoản g H = 800 km chứa N2, O2, H2O, CO2, NOx, H2, He, Ar, Ne. Áp suấ t và khố i lươṇ g riêng của khí quyể n giảm dầ n với đô ̣ cao y theo quy luâ ̣t: p(y) = p0.(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cp/R (y) = 0(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cv/R. Khí quyển tác động đến nhiệt độ trên hành tinh của chúng ta. Các vụ phun trào núi lửa cùng với các hoạt động của con người làm ảnh hưởng đến các thành phần cấu tạo của khí quyển. Vì thế, hệ sinh thái trên hành tinh chúng ta là kết quả của sự cân bằng mong manh giữa các ảnh hưởng khác nhau. Trong quá khứ, hệ sinh thái này là một hệ thống cân bằng tự điều chỉnh, nhưng ngày nay do tác động của con người có thể đang là nguyên nhân làm vượt qua trạng thái cân bằng này. Lớp không khí bao quanh trái đất có thể tích khoảng 270 triệu km3 và nặng khoảng 5.300 tỷ tấn đè lên thân thể chúng ta. Những gì mà chúng ta cảm nhận được chỉ xảy ra trong tầng thấp nhất, cao khoảng 18km của cột không khí khổng lồ này, tuy nhiên, phần nhỏ này lại đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự sống trên hành tinh của chúng ta. Trong không khí chứa khoảng 78% phân tử nitơ và 21% oxy cùng với 1% argon và một số chất khí khác và hơi nước trong đó có khoảng 0,03% khí cácbonic. Mặc dầu hàm lượng khí cácbonic rất nhỏ, nhưng lại đóng một vai trò quan trọng đối với sự sống trên trái đất. Hình 3: Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển Tài liệu tham khảo Trang 11
Càng lên cao áp suất không khí giảm và nhiệt độ cũng thay đổi rất nhiều, tuy nhiên nhiệt độ của không khí không hạ xuống một cách đơn giản khi chúng ta tiến ra ngoài không gian, nhiệt độ không khí giảm và tăng theo một chu trình nhất định. Nhiệt độ ở mỗi tầng tương ứng với mức tích tụ và loại năng lượng tác động trong tầng đó. Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển Khí quyển của trái đất có thể chia làm 4 tầng, trong đó mỗi tầng có một kiểu cân bằng năng lượng khác nhau. Tầng dưới cùng nhất gọi là tầng đối lưu (Troposphere) tầng này bị chi phối bởi ánh sáng khả kiến và tia hồng ngoại, gần 95% tổng số khối lượng và toàn bộ nước trong khí quyển phân bố trong tầng này tầng đối lưu cao chỉ khoảng 14km. Gần như toàn bộ sự trao đổi năng lượng giữa khí quyển và trái đất xảy ra trong tầng này. Mặt đất và mặt biển bị hâm nóng lên bởi ánh nắng mặt trời. Nhiệt độ trung bình trên bề mặt trái đất khoảng 15oC, bức xạ nhiệt đóng vai trò điều tiết tự nhiên để giữ cho nhiệt độ trên mặt đất chỉ thay đổi trong một dải tầng hẹp. Theo lý thuyết, càng lên cao nhiệt độ càng giảm T(y) = T0 - (g/Cp).y, nhưng trong thực tế thì không đúng như vậy. Trên tầng đối lưu là tầng bình lưu (Stratosphere), tại đây nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại. Nhiệt độ tại vùng chuyển tiếp giữa vùng đối lưu và vùng bình lưu khoảng -50oC, càng lên cao nhiệt độ lại tăng dần, tại ranh giới của tầng bình lưu có độ cao khoảng 50km nhiệt độ tăng lên khoảng 0oC. Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là vì các phân tử oxy (O2) và ozon (O3) hấp thụ một phần các tia cực tím đến từ Mặt trời (90% ozon trong khí quyển chứa trong tầng bình lưu). Nếu tất cả các tia cực tím này có thể đến mặt đất thì sự sống trên trái đất có nguy cơ bị hủy diệt. Một phần nhỏ tia cực tím bị hấp thụ bởi O2 trong tầng bình lưu, quá trình này tách một phân tử O2 thành 2 nguyên tử O, một số nguyên tử O phản ứng với phân tử O2 khác để tạo thành O3. Mặc dầu chỉ một phần triệu phân tử trong khí quyển là ozon nhưng các phân tử ít ỏi này có khả năng hấp thụ hầu hết ánh sáng cực tím trước khi chúng đến được mặt đất. Các photon trong ánh sáng cực tím chứa năng lượng lớn gấp 2 đến 3 lần các photon trong ánh sáng khả kiến, chúng là một trong các nguyên nhân gây bệnh ung thư da. Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy lượng ozon trong tầng thấp nhất của khí quyển (tầng đối lưu) ngày càng tăng, trong khi đó hàm lượng ozon trong tầng bình lưu đã bị giảm 6% từ 20 năm trở lại đây. Hậu quả của sự suy giảm này là các tia cực tím có thể xuyên qua khí quyển đến mặt đất ngày nhiều hơn và làm nhiệt độ trong tầng bình lưu ngày càng lạnh đi, trong khi đó nhiệt độ trong tầng đối lưu ngày một nóng lên do hàm lượng ozon gần mặt đất ngày càng tăng. Trong tầng giữa (Mesosphere), có độ cao từ 50km trở lên, ozon thình lình mỏng ra và nhiệt độ giảm dần và lên đến ranh giới cao nhất của tầng này (khoảng 80km) thì nhiệt độ chỉ khoảng -90oC. Càng lên cao nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại và sự cấu tạo của khí quyển thay đổi hoàn toàn. Trong khi ở tầng dưới các quá trình cơ học và trong tầng giữa các quá trình hoá học xảy ra rất tiêu biểu, thì trong tầng cao nhất của khí quyển các quá trình diễn ra rất khác biệt. Nhiệt lượng bức xạ rất mạnh của mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành Tài liệu tham khảo Trang 12
các ion và electron. Vì thế người ta gọi tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này. Càng lên cao, bức xạ mặt trời trời càng mạnh, ở độ cao khoảng 600km, nhiệt độ lên đến 1000oc. càng lên cao khí quyển càng mỏng và không có một ranh giới rõ ràng phân biệt gữa khí quyển của trái đất và không gian. người ta thống nhất rằng khí quyển chuẩn của trái đất có độ cao 800km. Câu hỏi: 1. Trình bày cấu tạo của hệ mặt trời? 2. Trình bày sự thay đổi nhiệt độ theo dộ cao của tầng khí quyển? Tài liệu tham khảo Trang 13
CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI  GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2: Chương 2 là chương giới thiệu về năng lượng bức xạ mặt trời  MỤC TIÊU CHƯƠNG 2: - Trình bày được lý thuyết về bức xạ mặt trời. - Tính toán được năng lượng mặt trời dựa trên năng lượng bức xạ - Trình bày được cách đo cường độ bức xạ mặt trời. - Thái độ nghiêm túc trong giờ học. - Cẩn thận, tỉ mỉ trong quá trình đọc thiết bị.  PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 2 - Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập chương 2 (cá nhân hoặc nhóm). - Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 2) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 2 theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định.  ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 2 - Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Phòng thí nghiệm điện - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác - Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan. - Các điều kiện khác: Không có  KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 2 - Nội dung:  Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức  Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng.  Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. Tài liệu tham khảo Trang 14
+ Nghiêm túc trong quá trình học tập. - Phương pháp:  Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)  Kiểm tra định kỳ lý thuyết: 1 điểm kiểm tra  NỘI DUNG CHƯƠNG 2 1. Năng lượng bức xạ mặt trời Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ  ban đầu khi đi qua 5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời, bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ  là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 2.1). Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra. 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 m và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 m đó là vùng nhìn thấy của phổ. Hình 4: Dải bức xạ điện từ 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. Tài liệu tham khảo Trang 15