408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng Ch 2: Năng lượng mặt trời 2.1 Nguồn lượng mặt trời  Phổ mặt trời  Quỹ đạo trái đất  Góc chiếu mặt trời vào trưa  Vị trí mặt trời theo ngày  Phân tích bóng che dùng sơ đồ hướng mặt trời  Tính mặt trời theo múi  Mặt trời mọc lặn Bài giảng 2 Tài nguyên mặt trời  Để tìm hiểu lượng mặt trời, cần tìm hiểu mặt trời  Cần biết có lượng ánh sáng  Có thể dự đoán vị trí mặt trời thời điểm  Bức xạ (insolation: incident solar radiation)  Muốn xác định xạ trung bình ngày vị trí  Muốn chọn vị trí góc nghiêng hiệu cho pin mặt trời Bài giảng Mặt trời xạ vật đen  Mặt trời: đường kính 1,4x 106 km, công suất xạ 3,8.1020 MW  Vật đen  Vừa vật phát xạ lý tưởng, vừa vật hấp thụ lý tưởng  Phát xạ lý tưởng: phát xạ nhiều lượng vật thể thực nhiệt độ  Hấp thụ lý tưởng: hấp thụ toàn bộ, không phản xạ Bài giảng Định luật Planck  Các bước sóng phát vật đen phụ thuộc vào nhiệt độ nó: 3,74 ×10 Eλ = 14400   λT λ e − 1    λ = bước sóng (µm)  Eλ = công suất phát đơn vị diện tích (W/m2-µm)  T = nhiệt độ tuyệt đối vật thể (°K) Bài giảng Phổ điện từ  Ánh sáng thấy có bước sóng nằm 0,4 0,7 µm, tử ngoại ngắn hơn, hồng ngoại dài Bài giảng Phổ vật đen 15 °C (288 °K)  Diện tích đường cong = tổng công suất xạ Bài giảng Định luật Stefan-Boltzmann  Tổng công suất xạ theo định luật xạ Stefan Boltzmann: E = AσT  E = tổng công suất xạ (W)  σ = số Stefan-Boltzmann = 5,67.10-8 W/m2-K4  T = nhiệt độ tuyệt đối vật thể (°K)  A = diện tích bề mặt vật đen (m2) Bài giảng Nguyên lý dịch chuyển Wien  Bước sóng phổ xạ đạt cực đại: λmax 2898 = T  T = nhiệt độ tuyệt đối (°K)  λ = bước sóng (µm)  λmax = 0,5 µm mặt trời, 5800 °K  λmax = 10,1 µm với trái đất (xem vật đen), 288 °K Bài giảng Phổ mặt trời bên khí Bài giảng 10 Ví dụ 7.3 – Mặt trời đâu?  Tìm góc cao độ góc phương vị lúc chiều Bình Dương (vĩ độ 10,93°) vào ngày hạ chí  Vào ngày hạ chí, góc suy giảm δ = 23,45°  Góc = (15°)(-3) = –45° sin(β) = cos(10,93°)cos(23,45°)cos(–45°) + sin(10,93°)sin(23,45°) = 0,7124 β = 45,43° sin(φs) = cos(23,45°)sin(–45°)/cos(45.43°) = -0,9244 Chọn φs = 247,6° Tại sao? Bài giảng 24 Lược đồ quỹ đạo mặt trời để pt bóng che  Ta biết cách xác định vị trí mặt trời  Điều giúp xác định địa điểm bị bóng che vào thời điểm  Vẽ góc phương vị cao độ cây, tòa nhà, vật cản khác  Những phần lược đồ quỹ đạo mặt trời bị che khuất cho biết thời điểm mà địa điểm bị bóng che Bài giảng 25 Lược đồ quỹ đạo mặt trời để pt bóng che Bài giảng 26 Giờ mặt trời đồng hồ  Hầu hết công việc điện mặt trời liên quan đến mặt trời, đo tương đối so với đứng bóng  Tuy nhiên, cần liên hệ với đồng hồ  Cần có hai điều chỉnh: điều chỉnh theo kinh độ liên quan đến múi giờ, chuyển động không trái đất quanh mặt trời  Giờ mặt trời lệch phút cho kinh độ  Giờ đồng hồ có 24 múi giờ, mũi trải 15 kinh độ Bài giảng 27 Bản đồ múi giới Bài giảng 28 Giờ mặt trời đồng hồ  Quỹ đạo elip trái đất làm cho chiều dài ngày thay đổi suốt năm  Sai lệch E ngày 24 ngày mặt trời: E = 9,87sin(2B) – 7,53cos(B) – 1,5sin(B) (phút) B = 360(n - 81)/364  n số ngày  Kết hợp với hiệu chỉnh kinh độ, ta có Giờ mặt trời = Giờ đồng hồ + phút/độ*(kinh tuyến địa phương – kinh độ quan sát) + E (phút) Bài giảng 29 Ví dụ 7.5 – Giờ mặt trời địa phương  Tìm thời điểm đứng bóng Boston (71,1° kinh tây) vào ngày 01/7  01/7 có số ngày n = 182 B = 360(182-81)/364 = 99.89° E = 9,87sin(2B) – 7,53cos(B) – 1,5sin(B) = –3,5 phút  Kinh tuyến địa phương Boston 75°, sai lệch 75° – 71,7° độ tương ứng với phút CT = ST – 4(phút/độ)(75°–71,7°) – (–3,5 phút) = 11:49.9 CT = 12:49.9 EST (xét Daylight Savings) Bài giảng 30 Mặt trời mọc lặn  Có thể ước tính thời điểm mặt trời mọc lặn  Bằng cách cho góc cao độ giải theo góc sin ( L ) sin ( δ ) cos( H ) = − = − tan ( L ) tan ( δ ) cos( L ) cos( δ )  Hai nghiệm H ứng với hai thời điểm, dấu + cho biết mặt trời mọc, dấu - ứng với mặt trời lặn  Có khác biệt điều kiện hình học dự báo thời tiết: điều kiện hình học dựa vào tâm, dự báo thời tiết dựa vào đỉnh mặt trời Bài giảng 31 Bức xạ trực tiếp trời quang  Bức xạ trực tiếp IBC theo đường thẳng qua khí đến thu  Tán xạ IDC bị phân tán phân tử không khí  Phản xạ IRC từ bề mặt gần thu Bài giảng 32 Bức xạ khí I0  Giá trị ban đầu để tính xạ trời quang  I0 xuyên vuông góc với mặt phẳng tưởng tượng bên khí trái đất  I0 phụ thuộc vào khoảng cách mặt trời trái đất vào cường độ mặt trời   360n  I = SC 1 + 0,034 cos   365   W/m2  SC = số mặt trời = 1377 W/m2  n = số ngày Bài giảng 33 Bức xạ khí  Bức xạ bị suy giảm qua không khí, với quy luật suy giảm dạng hàm mũ IB = Ae-km  IB = phần tia xạ đến mặt đất  A = thông lượng biểu kiến khí  k = độ sâu quang học  m = tỷ số khối lượng không khí Bài giảng 34 Bức xạ mặt thu I RC = ρ ( I BH  − cos( Σ )  + I DH )     Bài giảng 35 Các hệ thống bám theo  Hầu hết hệ thống điện mặt trời gia dụng cố định, số hệ thống bám theo hiệu  Các hệ thống bám theo có trục (thường gắn đứng lên trụ) hai trục (trục ngang trục dọc)  Con số ước tính cho phần thu thêm hệ thống bám theo khoảng 20% cho trục, 25 đến 30% cho hệ thống có hai trục Bài giảng 36 Bức xạ hàng tháng hàng năm  Với hệ thống cố định, tổng lượng thu thường không nhạy cảm với góc nghiêng, có thay đổi thời điểm nhiều lượng tạo Bài giảng 37 Bức xạ hàng năm giới Bài giảng 38 [...]...Tỷ số khối lượng không khí  h1 = chiều dài đường đi khi thẳng góc  h2 = chiều dài đường đi ở góc bất kỳ  β = góc cao độ của tia sáng mặt trời Bài giảng 2 11 Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất  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 trời có vẻ đỏ hơn khi mọc và lặn Bài giảng 2 12 Quỹ đạo trái đất  Trong một... đạo mặt trời để pt bóng che  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 biết thời điểm mà địa điểm đó sẽ bị bóng che Bài giảng 2 25 Lược đồ quỹ đạo mặt trời để pt bóng che Bài giảng 2 26 Giờ mặt trời. .. nhanh hơn? Bài giảng 2 19 Vị trí của mặt trời trong ngày  Vị trí được mô tả theo góc cao độ β và góc phương vị của mặt trời φs  β và φs phụ thuộc vào vĩ độ, chỉ số ngày, và thời điểm  Quy ước góc phương vị (φs) - 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  Góc giờ lấy tham chiếu là đứng bóng Bài giảng 2... 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  Giờ đồng hồ có 24 múi giờ, mỗi mũi trải trên 15 kinh độ Bài giảng 2 27 Bản đồ múi giờ thế giới Bài giảng. .. Trái đất quét thành mặt phẳng elip khi di chuyển  Trục trái đất nghiêng 23,45°  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  Hạ chí – Bắc cực nghiêng gần nhất so với mặt trời Bài giảng 2 13 Quỹ đạo trái đất  Với các ứng dụng điện mặt trời, chúng ta xem quỹ đạo của trái đất là không đổi Bài giảng 2 14 Góc suy... mặt phẳng xích đạo và đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất  δ thay đổi giữa ±23,45°  Giả sử biến thiên hình sin, một năm có 365 ngày, và n=81 ứng với xuân phân, có thể xấp xỉ δ theo  360  ( n − 81)  δ = 23,45 sin   365  Bài giảng 2 15 Vị trí của mặt trời trên bầu trời  Một cách nhìn khác  Dự đoán vị trí của mặt trời vào thời điểm bất kỳ  Chọn góc nghiêng tốt nhất cho các tấm PV Bài. .. nhất cho các tấm PV Bài giảng 2 16 Đứng bóng và góc nghiêng của bộ thu  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 bề mặt bộ thu Bài giảng 2 17 Góc cao độ β N khi đứng bóng  Góc cao độ khi đứng bóng βN – góc giữa mặt trời và chân trời địa phương βN =... = 11:49.9 CT = 12:49.9 EST (xét Daylight Savings) Bài giảng 2 30 Mặt trời mọc và lặn  Có thể ước tính thời điểm mặt trời mọc và lặn  Bằng cách cho góc cao độ bằng 0 và giải theo góc giờ sin ( L ) sin ( δ ) cos( H ) = − = − tan ( L ) tan ( δ ) cos( L ) cos( δ )  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... còn dự báo thời tiết dựa vào đỉnh của mặt trời Bài giảng 2 31 Bức xạ trực tiếp trời quang  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 bề mặt gần bộ thu Bài giảng 2 32 Bức xạ ngoài khí quyển I0  Giá trị ban đầu để tính bức xạ trời quang  I0 xuyên vuông góc với một mặt phẳng tưởng tượng bên ngoài khí quyển... phụ thuộc vào khoảng cách giữa mặt trời và trái đất và vào cường độ của mặt trời   360n  I 0 = SC 1 + 0,034 cos   365   W/m2  SC = hằng số mặt trời = 1377 W/m2  n = chỉ số ngày Bài giảng 2 33 Bức xạ ngoài khí quyển  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