Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời

Chia sẻ: Xedapbietbay Xedapbietbay | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu góc tới phát tia bức xạ của mặt trời theo từng thời điểm trong ngày tại khu vực thực hiện thí nghiệm. Thiết kế, chế tạo mẫu bếp phù hợp mục tiêu đề ra Thiết kế cơ cấu truyền động hiệu quả Thiết kế mạch điều khiển hiệu quả, dễ sử dụng và thay thế, giá thành thấp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC XOAY THEO HƯỚNG NẮNG CỦA BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 60.52.01.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. PHẠM VIỆT HÙNG CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN TS. ĐINH VƯƠNG HÙNG HUẾ - 2016 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Quốc Huy PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo khoa Cơ khí – Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt khóa học. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo TS Phạm Việt Hùng, người đã luôn theo sát bên tôi, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi cả về kiến thức, vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ giáo viên xưởng thực hành khoa Cơ khí – Công nghệ đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! Huế, tháng 30 tháng 5 năm 2016 Học viên Nguyễn Quốc Huy PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iii TÓM TẮT Đề tài đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mẫu bếp hộp tự động xoay theo hướng nắng, hoạt động hiệu quả với hiệu suất thu và giữ nhiệt của bếp được cải thiện đáng kể. Cụ thể: Thứ nhất đã phân tích điều kiện thời tiết, khí hậu tại khu vực để làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo. Thứ hai, đã thiết kế và chế tạo một mẫu bếp hộp cải tiến theo hướng kết hợp các ưu điểm của bếp parabol và bếp hộp truyền thống. Thứ ba, tính toán và thiết kế được bộ điều khiển với hai phương án hoạt động theo nguyên lý hẹn giờ và sử dụng cảm biến. Trong đó, phương án hẹn giờ sử dụng rơ le thời gian kết hợp với một động cơ điện 1 chiều với công suất 0,05 KW và số vòng quay 96v/ph điều khiển bếp quay một góc 10˚ sau mỗi khoảng thời gian 30 phút. Phương án điều khiển bằng cảm biến, sử dụng cảm biến quang trở kết hợp với bo mạch Arduino và động cơ bước để điều khiển bếp theo hướng Mặt Trời. Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của hai phương án, đề tài lựa chọn phương án thiết kế, chế tạo bảng điều khiển theo chế độ hẹn giờ. Thứ tư, lựa chọn phương án truyền động cơ khí, đó là sử dụng bộ truyền động 1 xích đơn giản, hiệu quả với tỉ số truyền . 2 Thứ năm, tiến hành khảo nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động của bếp hộp cải tiến và hiệu quả của bếp ở hai trường hợp bếp tĩnh và bếp động. Kết quả chỉ ra rằng, hiệu suất thu, giữ nhiệt của bếp động cao hơn bếp tĩnh là 13%. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật để thiết kế, chế tạo bếp quay tự động, sẽ làm cơ sở khoa học cho sự phát triển của việc nghiên cứu các ứng dụng khai thác năng lượng mặt trời. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii TÓM TẮT .................................................................................................................... iii MỤC LỤC .....................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................9 1. ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................................9 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI.........................................................................................10 2.1. Mục tiêu chung .......................................................................................................10 2.2. Mục tiêu cụ thể .......................................................................................................10 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ...............................................................11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................12 1.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..................................................12 1.1.1. Nguồn năng lượng mặt trời .................................................................................12 1.1.2. Phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời .........................................................16 1.1.3. Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ...........................................................16 1.1.4. Tình hình phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời ............................................22 1.1.5. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị - Các định luật cơ bản về bức xạ ....................25 1.2 CƠ SỞ THỰC TIỄN VỄ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...............................................28 1.2.1 Các nghiên cứu về hệ thống điều khiển tự động ứng dụng vào bếp đun năng lượng mặt trời trong nước và trên thế giới ....................................................................28 1.2.2 Nhận xét và đề xuất hướng nghiên cứu ................................................................29 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................................................................31 2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................................31 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ..........................................................................................31 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................31 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................................31 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................................................................31 2.3.1. Phương pháp phỏng vấn chuyên gia....................................................................31 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu tài liệu .........................................................................31 2.3.3. Phương pháp tính toán, thiết kế .........................................................................32 2.3.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ................................................................32 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
v CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................33 3.1. NGHIÊN CỨU, THU THẬP SỐ LIỆU VỀ ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU Ở TỈNH THỪA THIÊN HUẾ ......................................................................................................33 3.2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BẾP HỘP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .........................36 3.2.1. Lựa chọn nguyên lý làm việc ..............................................................................36 3.2.2. Tính toán thiết kế bếp ..........................................................................................38 3.3. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM CỦA BẾP ...........................41 3.4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ......................................................42 3.4.1. Mục đích và yêu cầu ............................................................................................42 3.4.2. Lựa chọn phương án điều khiển ..........................................................................42 3.5. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN ...............................49 3.6. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................49 3.6.1. Bộ truyền đai .......................................................................................................49 3.6.2. Bộ truyền xích .....................................................................................................42 3.6.3. Bộ truyền trục vít .................................................................................................51 3.6.4. Lựa chọn hệ thống truyền động cho bếp .............................................................52 3.7. KHẢO NGHIỆM....................................................................................................53 3.7.1. Khảo nghiệm khả năng hoạt động của bếp hộp...................................................53 3.7.2. Khảo nghiệm so sánh, đánh giá hiệu quả của bếp trước và sau khi lắp bảng điều khiển ..............................................................................................................................56 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................59 4.1. KẾT LUẬN ............................................................................................................59 4.2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................60 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Đặc trưng cơ chế nhiệt độ tại Thừa Thiên Huế .............................................34 Bảng 3.2. Vài đặc trưng của độ ẩm – mây – nắng.........................................................35 Bảng 3.3. Nhiệt độ trung bình bếp theo thời gian nấu ..................................................54 Bảng 3.4. Bảng biến thiên nhiệt độ của bếp tĩnh và bếp động trong hai ngày khảo nghiệm. ..56 Bảng 3.5. Bảng giá thành thiết bị ..................................................................................58 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc của mặt trời .....................................................................................12 Hình 1.2. Góc nhìn mặt trời ...........................................................................................13 Hình 1.3. Góc hình học tia bức xạ mặt trời và mặt phẳng nghiêng ...............................15 Hình 1.4. Hai loại bếp nấu năng lượng mặt trời ............................................................17 Hình 1.5. Xe điện năng lượng mặt trời ..........................................................................18 Hình 1.6. Thiết bị vô trùng nước năng lượng mặt trời ..................................................18 Hình 1.7. Ô tô sử dụng nhiêu liệu Hydro ......................................................................19 Hình 1.8. Lều sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời .........................................................19 Hình 1.9. Mẫu máy nay năng lượng mặt trời ................................................................20 Hình 1.10. Đèn giao thông năng lượng mặt trời............................................................20 Hình 1.11. Gương phản xạ ánh nắng mặt trời vào thung lũng Viganella .....................21 Hình 1.12. Sạc pin bằng năng lượng mặt trời................................................................21 Hình 1.13. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời trên thế giới. ...............................23 Hình 1.14. Số giờ nắng trung bình mỗi tháng và trong năm 2002-2003 tại Việt Nam .24 Hình 1.15. Hàm số phân bố E0λ theo λ và T. .................................................................25 Hình 1.16. Định luật dịch chuyển Wien. .......................................................................26 Hình 1.17. Hiệu ứng lồng kính ......................................................................................28 Hình 3.1. Đồ thị so sánh nhiệt độ trong các tháng của Huế ..........................................33 Hình 3.2. Bản vẽ hình chiếu cạnh bếp hộp năng lượng mặt trời ...................................37 Hình 3.3. Bản vẽ hình chiếu đứng bếp hộp năng lượng mặt trời ..................................38 Hình 3.4. Hình 3D bếp hộp năng lượng mặt trời...........................................................38 Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mặt thu nhiệt và thời gian ......................40 Hình 3.6. Bếp hộp năng lượng mặt trời hình hộp ..........................................................41 Hình 3.7. Áp to mát 1 pha .............................................................................................35 Hình 3.8. Máy biến áp ...................................................................................................43 Hình 3.9. Sơ đồ cấu tạo máy biến áp .............................................................................43 Hình 3.10. Rơ le trung gian ...........................................................................................44 Hình 3.11. Sơ đồ cấu tạo Rơ le trung gian ....................................................................44 Hình 3.12. Rơ le thời gian .............................................................................................45 Hình 3.13. Sơ đồ nối dây của rơ le thời gian .................................................................45 Hình 3.14. Mạch chỉnh lưu toàn sóng với 4 điốt ...........................................................46 Hình 3.15. Sơ đồ mạch cơ bản ......................................................................................47 Hình 3.16. Sơ đồ mạch bán kỳ dương ...........................................................................47 Hình 3.17. Sơ đồ mạch bán kỳ âm ................................................................................48 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
viii Hình 3.18. Bảng hệ thống điều khiển tự động ...............................................................48 Hình 3.19. Sơ đồ mạch điện của bảng điều khiển .........................................................49 Hình 3.20. Bộ truyền đai ...............................................................................................50 Hình 3.21. Bộ truyền xích .............................................................................................50 Hình 3.22. Bộ truyền trục vít .........................................................................................51 Hình 3.23. Đồ thị biến thiên nhiệt độ của bếp ...............................................................54 Hình 3.24. Khảo nghiệm bếp .........................................................................................55 Hình 3.25. Cơm sau khi nấu. .........................................................................................55 Hình 3.26. Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trung bình của bếp tĩnh và bếp động ...............57 Hình 3.27. Khảo nghiệm bếp động ................................................................................57 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
9 MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong quá trình Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa (CNH-HĐH), nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Trong đó, nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên… đóng vai trò chủ chốt hiện nay. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng truyền thống này quá mức đã và đang gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Đồng thời, với một trữ lượng có hạn, nguồn năng lượng truyền thống có khả năng dần cạn kiệt sau 50 đến 70 năm nữa đang khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng. Vì vậy, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển, năng lượng địa nhiệt… đang là những nguồn năng lượng triển vọng, được coi là nguồn năng lượng của tương lai, sẽ đáp ứng tốt các nhu cầu về năng lượng, tiết kiệm điện năng và góp phần bảo vệ môi trường. Trong số những nguồn năng lượng tái tạo nêu trên, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, có trữ lượng lớn và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay. Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng chính dần thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội là chiến lược phát triển năng lượng có ý nghĩa cao về mặt kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng. Hơn thế nữa, Việt Nam là một nước nhiệt đới, nằm ở vành đai nội chí tuyến, tổng số giờ nắng trong năm lớn. Ở khu vực miền Trung có khoảng 2900 giờ nắng/năm và với cường độ bức xạ cao, lên đến 950W/m2. Vì thế, việc triển khai ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời là rất triển vọng. Năng lượng mặt trời được coi là một giải pháp hoàn toàn phù hợp nếu được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng trên thế giới cũng như ở nước ta hiện nay còn rất hạn chế do nhiều nguyên nhân như công nghệ sản xuất mới, chi phí đầu tư ban đầu quá cao… Đặc biệt, hiệu suất của các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ các nhu cầu dân sinh hiện nay còn rất thấp. Các thiết bị này chỉ tập trung vào đun nước nóng, nấu ăn, các hệ thống điện chiếu sáng nhỏ độc lập... Hiệu suất của các loại thiết bị sử dụng bằng năng lượng mặt trời nói chung và bếp năng lượng mặt trời nói riêng còn hạn chế do nhiều nguyên nhân. Một trong số đó là việc hiệu suất thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều về góc tới của chùm bức xạ nhiệt ánh sáng mặt trời tới bề mặt hấp thụ nhiệt hoặc ánh sáng của thiết bị do vị trí của mặt trời thay đổi liên tục trong ngày. Bếp sử dụng năng lượng mặt trời có nhiều dạng nhưng có thể chia ra hai nhóm theo hai nguyên tắc là hội tụ (bếp parabol) và bẫy nhiệt hiệu ứng nhà kính (bếp hình hộp). Nhìn chung, hai loại bếp đều có nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, có hiệu suất thấp hoặc bất tiện cho người sử dụng. Bếp parabol sử dụng mặt cầu phản chiếu và tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm nơi vật dụng đun nấu được đặt ngay tại tiêu PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
10 điểm đó. Theo đánh giá chung, bếp này có nhiều bất cập như chế tạo phức tạp, bếp chỉ hoạt động tốt khi cường độ bức xạ cao, người sử dụng gặp phải các vấn đề sức khỏe về da và mắt do ánh sáng phản chiếu trực tiếp vào cơ thể. Trong khi đó, bếp hộp hoạt động như một bẫy nhiệt, theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính, tích nhiệt từ ánh nắng mặt trời truyền vào vật dụng đun nấu. Vật dụng đun nấu được tăng cường và duy trì nhiệt nhờ nhiệt trong môi trường không khí giữ kín trong hộp bếp. Bếp hộp được khuyến cáo cáo sử dụng nhiều hơn bếp parabol do có nhiều ưu điểm như chế tạo đơn giản, bếp vẫn hoạt động tốt khi cường độ bức xạ của ánh nắng mặt trời không cao, không gây các ảnh hưởng về sức khỏe cho người sử dụng.… Thực tế sử dụng cho thấy, hiệu suất của bếp được cải thiện đáng kể khi người sử dụng quay bếp theo sự di chuyển của mặt trời một góc 5o mỗi 15 phút. Điều này có ý nghĩa đáng kể tại thời điểm sử dụng bếp từ 8 đến 10 giờ và từ 14 đến 16 giờ khi mà góc tới của ánh nắng mặt trời hợp với bề mặt hấp thụ nhiệt của bếp là lớn nhất so với trường hợp thường đặt bếp cố địch và mặt bếp thẳng góc với mặt trời tại thời điểm giữa trưa. Điều này đồng nghĩa với việc tại hai khoảng thời gian nêu trên, hiệu suất bếp là rất thấp. Vì vậy, nhằm tăng hiệu suất của bếp, giảm ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng, giải phóng người sử dụng do phải lệ thuộc vào giám sát bếp, sử dụng bếp thì nhu cầu về một loại bếp tự động xoay theo hướng nắng có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng là một nhu cầu chính đáng. Điều này đặc biệt ý nghĩa với người dân nghèo tại vùng đệm các khu bảo tồn sinh thái, rừng các loại khỏi nguy cơ cháy rừng, tàn phá rừng do người dân vào rừng chặt gỗ làm chất đốt, đun nấu gây ra. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nêu trên, tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời”. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2.1. Mục tiêu chung Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu bếp tự động điều chỉnh theo hướng nắng mặt trời có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng, hiệu suất sử dụng cao. 2.2. Mục tiêu cụ thể Nghiên cứu góc tới phát tia bức xạ của mặt trời theo từng thời điểm trong ngày tại khu vực thực hiện thí nghiệm. Thiết kế, chế tạo mẫu bếp phù hợp mục tiêu đề ra Thiết kế cơ cấu truyền động hiệu quả Thiết kế mạch điều khiển hiệu quả, dễ sử dụng và thay thế, giá thành thấp. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
11 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả tính toán, thiết kế và khảo nghiệm các thông số kỹ thuật sẽ làm cơ sở khoa học cho nghiên cứu phát triển liên quan trong khai thác năng lượng mặt trời. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả xây dựng một mẫu bếp hoàn chỉnh, tự động hóa với giá thành thấp, sử dụng dễ dàng, dễ thay thế, hoạt động hiệu quả phù hợp với điều kiện giờ nắng và đối tượng sử dụng trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế. Từ đó, tạo điều kiện phổ biến rộng rãi và khuyến khích người dân sử dụng mẫu bếp nhằm tiết kiệm chi phí chất đốt, bảo vệ môi trường... PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
12 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.1. Nguồn năng lượng mặt trời Mặt trời là một khối cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của trái đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong qua trình được truyền từ tâm mặt trời ra ngoài, tương tác với các nguyên tố khác bên trong mặt trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau. Quá trình bức xạ của mặt trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ năm nữa. Cấu trúc mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ (Hình 1.1). Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời. Hình 1.1. Cấu trúc của mặt trời PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
13 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. 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. 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. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thưc : q =  D _T . C0 (T / 100)4 [1.1] Ở đây  D−T - hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời  D−T =  2 / 4 [1.2] β - góc nhìn mặt trời (Hình 1.2) C0 = 5,67 W/m2.K4 - hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối T  5762 oK -nhiệt độ bề mặt mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối) 2  2.3,14.32    4  360.60   5762  Vậy q= .5,67.   1353 W/m2 [1.3] 4  100  Hình 1.2. Góc nhìn mặt trời PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
14 Các tính toán bức xạ mặt trời: - Hệ số khối không khí: m, là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở thiên đỉnh). Như vậy m =1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh z là 600. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có thể xác định gần đúng m =1/cosz. Còn đối với các góc z>700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán. Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m =0. - Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đây là dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ). - Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ còn được gọi là bức xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra). - Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt). - Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp. - Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày). - Giờ mặt trời : là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ. Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được xác định theo các góc đặc trưng sau : - Góc vĩ độ : vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương. - 900    900 - Góc nghiêng : góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang. 0    1800 ( > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới). PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
15 - Góc phương vị của bề mặt : góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến. Góc  = 0 nếu bề mặt quay về hướng chính nam,  lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông. -1800    1800 Hình 1.3. Góc hình học tia bức xạ mặt trời và mặt phẳng nghiêng - Góc giờ : góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị 150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+). - Góc tới : góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó. - Góc thiên đỉnh z: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới. Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới . - Góc cao mặt trời  : góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ của góc thiên đỉnh. - Góc phương vị mặt trời s: góc lệch so với phương nam của hình chiếu tia bức xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu dương (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây. - Góc lệch : vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương. -23,450    23,450 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
16 Góc lệch  có thể tính toán theo phương trình của Cooper: 284 + n  = 23,45.sin(360 ) n là thứ tự ngày của 1 năm [1.4] 365 Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình giữa góc tới  và các góc khác như sau: cos = sin.sin. cos - sin.cos. sin.cos + cos.cos.cos.cos + + cos.sin.sin.cos.cos + cos.sin.sin.sin và: cos = cosz.cos + sinz.sin.cos(s - ) [1.5] Đối với bề mặt nằm ngang góc tới  chính là góc thiên đỉnh của mặt trời z, giá trị của nó phải nằm trong khoảng 00 và 900 từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời ở thiên đỉnh ( = 0): cosz = cos.cos.cos + sin.sin [1.6] 1.1.2. Phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời đã và đang được sử dụng nhiều trong thực tiễn như: sản xuất điện từ pin quang điện, sưởi ấm không gian và làm mát thông qua thiết kế kiến trúc, chưng cất nước uống và khử trùngbằng bình nước nóng năng lượng Mặt Trời, nấu ăn bằng bếp năng lượng mặt trời v.v... Tóm lại, có thể chia phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời thành hai nhóm là: + Nhiệt năng: chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện + Quang điện: chuyển bức xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng 1.1.3. Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời Như đề cập ở trên, hai dạng ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện nay là hệ thống chuyển hoá năng lượng mặt trời thành nhiệt năng như hệ thống đun nước nóng năng lượng mặt trời, bếp nấu ăn bằng năng lượng mặt trời, hệ thống sấy năng lượng mặt trời... và hệ thống chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng như pin năng lượng mặt trời (Pin quang điện). Dưới đây là một số ứng dụng rất thiết thực từ năng lượng mặt trời trong đời sống. - Bếp năng lượng mặt trời: Có hai dạng bếp nấu là bếp parabol và bếp hộp. Với bếp parabol, năng lượng mặt trời thu được qua các chảo thu nhiệt hình parabol hay hình hộp. Bếp parabol, nồi chứa thức ăn được đặt giữa một bán cầu được tráng gương để phản xạ và tập trung tia mặt trời vào nồi chứa. Để duy trì nhiệt độ, người ta đặt một cái bao giữ nhiệt trong suốt bằng nylon bao quanh nồi chứa. Chảo thu nhiệt cần phải PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
17 thường xuyên điều chỉnh quay theo hướng mặt trời để thu được nhiều nắng nhất. Ứng dụng này được sử dụng để nấu ăn với số lượng lớn và được khai thác ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là Trung Quốc. Ở bếp hộp thì nồi nấu đặt bên trong thành bếp và thu nhiệt nhờ hai tấm gương phản xạ được gắn hai bên cánh phản xạ của bếp. Ngoài ra, phía trong là mặt nhôm được đánh bóng để phản xạ, biên dạng của mặt phản xạ được thiết kế là mặt kết hợp của các parabol tròn xoay sao cho nồi nấu có thể nhận được chùm tia trực xạ của ánh sáng mặt trời và chùm phản xạ từ gương phẳng khi đặt cố định. Bếp có giá thành rẻ và hiệu suất khá cao nhưng cũng phải thường xuyên điều chỉnh bếp quay theo hướng mặt trời. Hình 1.4. Hai loại bếp nấu năng lượng mặt trời - Xe ô tô điện: Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời thường được lắp một số tấm năng lượng mặt trời trên mui xe. Còn đối với xe đạp năng lượng mặt trời thì các tấm năng lượng mặt trời được gắn trên áo người lái xe. Những loại xe này chủ yếu được sử dụng cho mục đích trình diễn và thử nghiệm về kỹ thuật. Người lái xe có thể theo dõi năng lượng tiêu hao và năng lượng thu được qua các loại đồng hồ lắp trên xe. Trên thế giới hiện nay có một số giải đua xe năng lượng mặt trời, trong đó có 2 giải tương đố nổi tiếng là giải The World Solar Challenge được tổ chức ở Úc với quy định người tham gia phải vượt qua một quãng đường dài đến 3000 km xuyên qua Úc. Giải thứ hai là The North American solar challenge lần đầu được tổ chức vào năm 2008 với chặng đua từ bang Texas – Hoa Kỳ đến Canada PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
18 Hình 1.5. Xe điện năng lượng mặt trời -Vô trùng nước: Việc vô trùng nước bằng năng lượng mặt trời có thể được thực hiện bằng các hộp thu năng lượng mặt trời. Có cấu tạo gồm một khung gỗ có phủ lớp màng mỏng được sơn đen để tập trung nhiệt lượng từ ánh nắng mặt trời. Phía trong có một bình đựng nước. Nhiệt lượng thu được từ ánh nắng sẽ đun nước tới khoảng 650 sau vài chục phút và sau đó sẽ được vô trùng. Một hộp năng lượng mặt trời như vậy có thể vô trùng được khoảng 4 lít nước trong vòng 3 tiếng đồng hồ. Hình 1.6. Thiết bị vô trùng nước năng lượng mặt trời - Sản xuất Hydro: Hiện tượng điện phân có thể phân tách phân tử nước thành các nguyên tử hydro và oxy, sau đó hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Nếu lượng điện cần thiết cho quá trình điện phân được cung cấp từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch thì khí CO2 sẽ bị phát thải ra môi trường, còn nếu hiện tượng điện phân được thực hiện bởi các tế bào năng lượng mặt trời thì sẽ không có ô nhiễm môi trường. Một số công ty sản xuất ô tô trên thế giới đang thử nghiệm một số động cơ sử dụng PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
19 nhiên liệu hydro. Hydro được lưu trữ trong một số thùng đặt trong than xe. Sau đó, một hệ thống động lực sẽ chuyển đổi hydro thành điện năng để vận hành chiếc xe. Hình 1.7. Ô tô sử dụng nhiêu liệu Hydro - Sưởi ấm: Một số ngư dân Canada đã thiết kế ra lều câu cá trên băng được sưởi ấm bằng ánh nắng Mặt Trời dựa vào việc tận dụng sự phản xạ của ánh nắng Mặt Trời trên mặt băng tuyết để thu được nhiệt lượng mong muốn. Trước tiên, những ngư dân này bao kín những kẽ hở trên căn lều của họ bằng một ít lá thiếc, sau đó dùng hai tấm nhựa để làm thành hai cánh cửa và một ít lưới chắn côn trùng để che bốn của sổ căn lều. Ánh nắng sẽ làm nóng không khí bên trong lều và sưởi ấm cho những người ngồi câu cá trên băng theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính. Khối không khí lạnh bên ngoài lều và không khí nóng bên trong lều sẽ được lưu thông qua những chiếc của sổ. Hình 1.8. Lều sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời -Máy bay: Chiếc máy bay mang tên The Solar Impulse với 12.000 tế bào quang điện trên cánh là một mẫu thử của máy bay năng lượng Mặt Trời, chiếc máy bay này đã có chuyến bay vòng quanh thế giới vào năm 2012. Trước đó vào tháng 4/2012, The PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma