Đang tải... (xem toàn văn)
Phần 1: Mặt trời và năng lượng mặt trời C1: Mặt trời và trái đất C2: Năng lượng bức xạ mặt trời Phần 2: Ứng dụng năng lượng mặt trời C3: Pin mặt trời C4: Thiết bị nhiệt mặt trời Phụ l
TS HỒNG DƯƠNG HÙNG NÀNG LỈÅÜNG MÀÛT TRÅÌI L THUÚT V ỈÏNG DỦNG LÅÌI NỌI ÂÁƯU Nhu cáưu vãư nàng lỉåüng ca ngỉåìi thåìi âải khoa hc k thût phạt triãøn ngy cng tàng Trong âọ cạc ngưn nhiãn liãûu dỉû trỉỵ than âạ, dáưu m, khê thiãn nhiãn v c thy âiãûn âãưu cọ hản, khiãún cho nhán loải âỉïng trỉåïc nguy cå thiãúu huỷt nng lổồỹng Vióỷc tỗm kióỳm vaỡ khai thaùc caùc ngưn nàng lỉåüng måïi nàng lỉåüng hảt nhán, nàng lỉåüng âëa nhiãût, nàng lỉåüng giọ v nàng lỉåüng màût tråìi l hỉåïng quan trng kãú hoảch phạt triãøn nàng lỉåüng, Viãûc nghiãn cỉïu sỉí dủng nàng lỉåüng màût tråìi ngy cng âỉåüc quan tám, nháút l tỗnh traỷng thióỳu huỷt nng lổồỹng vaỡ vỏỳn õóử cỏỳp bạch vãư mäi trỉåìng hiãûn Nàng lỉåüng màût tråìi âỉåüc xem l dảng nàng lỉåüng ỉu viãût tỉång lai, âọ l ngưn nàng lỉåüng sàơn cọ, siãu sảch v miãùn phê Do váûy nàng lỉåüng màût tråìi ngy cng âỉåüc sỉí dủng räüng ri åí cạc nỉåïc trãn thãú giåïi Näüi dung cún âỉåüc biãn soản mäüt cạch tỉång âäúi r rng dãù hiãøu nhåì kinh nghiãûûm ging dảy, nghiãn cỉïu láu nàm v kinh nghiãûm thỉûc tãú ca tạc gi lénh vỉûc nàng lỉåüng mỷt trồỡi Trong quaù trỗnh bión soaỷn, taùc giaớ õaợ cọ tham kho nhiãưu ti liãûu ca nhiãưu tạc gi v ngoi nỉåïc Cún âỉåüc chia lm hai pháưn: - Pháưn mäüt: Màût tråìi v Nàng lỉåüng màût tråìi - Pháưn hai: ỈÏng dủng Nàng lỉåüng màût tråìi Cún âỉåüc biãn soản våïi mủc âêch lm ti liãûu tham kho cho sinh viãn chun ngnh Cäng nghãû Nhiãût Lảnh v nhỉỵng quan tám hc táûp, nghiãn cỉïu vãư nàng lỉåüng màût tråìi Cún måïi âỉåüc biãn soản láưn âáưu nãn chàõc chàõn khäng trạnh nhỉỵng khiãúm khuút Tạc gi ráút mong nháûn âüc cạc kiãún gọp tỉì âc Tạc gi xin chán thnh cm ån cạc âäưng nghiãûp khoa Cäng nghãû Nhiãût Âiãûn lảnh, trỉåìng Âải hc Bạch khoa  Nàơng â âäüng viãn, giụp âåỵ cho tạc gi quaù trỗnh bión soaỷn TAẽC GIA MUC LUC Lồỡi nọi âáưu Pháưn MÀÛT TRÅÌI V NÀNG LỈÅÜNG MÀÛT TRÅÌI Chỉång Màût tråìi v trại âáút 1.1 Cáúu trục ca màût tråìi 1.2 Cạc Phn ỉïng hảt nhán màût tråìi 1.3 Trại âáút v khê quøn ca Trại âáút Chỉång Nàng lỉåüng bỉïc xả màût tråìi 2.1 Bỉïc xả màût tråìi 2.2 Tênh toạn nàng lỉåüng bỉïc xả màût tråìi 2.3 Âo cỉåìng âäü bỉïc xả màût tråìi Pháưn ỈÏNG DỦNG NÀNG LỈÅÜNG MÀÛT TRÅÌI Chỉång Pin màût tråìi 3.1 Ngun l hoảt âäüng v cáúu tảo ca pin màût tråìi 3.2 Thiãút kãú v làõp âàût hãû thäúng pin màût tråìi 3.3 ỈÏng dủng pin màût tråìi Chỉång Thiãút bë nhiãût màût tråìi 4.1 Cå såí l thuút thiãút bë nhiãût màût tråìi 4.2 Bãúp náúu dng nàng lỉåüng màût tråìi 4.3 Hãû thäúng cung cáúp nỉåïc nọng dng nàng lỉåüng màût tråìi 4.4 Hãû thäúng sáúy dng nàng lỉåüng màût tråìi 4.5 Hãû thäúng chỉng cáút nỉåïc dng nàng lỉåüng màût tråìi 4.6 Âäüng cå stirling dng nàng lỉåüng màût tråìi 4.7 Thiãút bë lảnh dng nàng lỉåüng màût tråìi 4.8 Nh mạy nhiãût âiãûn màût tråìi Phủ lủc Ti liãûu tham kho Mủc lủc Trang 5 10 16 16 20 28 31 32 32 39 52 55 55 87 101 145 153 162 169 191 196 209 215 215 PHÁƯN I MÀÛT TRÅÌI V NÀNG LặĩNG MT TRèI Mỷt trồỡi laỡ mọỹt nhổợng ngọi phạt sạng m ngỉåìi cọ thãø quan sạt âỉåüc v trủ Màût tråìi cng våïi cạc hnh tinh v cạc thiãn thãø ca tảo nãn hãû màût tråìi nàịm di Ngán H cng våïi hng t hãû màût tråìi khạc Màût tråìi ln phạt mäüt ngưn nàng lỉåüng khäøng läư v mäüt pháưn ngưn nàng lỉåüng âọ truưn bàịng bỉïc xả âãún trại âáút chụng ta Trại âáút v Màût tråìi cọ mäúi quan hãû chàût ch, chênh bỉïc xả màût tråìi l úu täú quút âënh cho sỉû täưn tải ca sỉû säúng trãn hnh tinh ca chụng ta Nàng lỉåüng màût tråìi l mäüt cạc ngưn nàng lỉåüng sảch v vä táûn v l ngưn gäúc ca cạc ngưn nàng lỉåüng khạc trãn trại âáút Con ngỉåìi â biãút táûn hỉåíng ngưn nàng lỉåüng q giạ ny tỉì ráút láu, nhiãn viãûc khai thạc, sỉí dủng ngưn nàng lỉåüng naỡy mọỹt caùch hióỷu quaớ nhỏỳt thỗ vỏựn laỡ vỏỳn âãư m chụng ta âang quan tám CHỈÅNG MÀÛT TRÅÌI V TRẠI ÂÁÚT 1.1 CÁÚU TRỤC CA MÀÛT TRèI Mỷt trồỡi laỡ mọỹt khọỳi khờ hỗnh cỏửu coù âỉåìng kênh 1,390.106km (låïn hån 110 láưn âỉåìng kênh Trại âáút), cạch xa trại âáút 150.106km (bàịng mäüt âån vë thiãn vàn AU ạnh sạng Màût tråìi cáưn khong âãø vỉåüt qua khong ny âãún Trại âáút) Khäúi lỉåüng Màût tråìi khong Mo =2.1030kg Nhiãût âäü To trung tám màût tråìi thay âäøi khong tỉì 10.106K âãún 20.106K, trung bỗnh khoaớng 15600000 K nhióỷt õọỹ nhổ vỏỷy vỏỷt chỏỳt khọng thóứ giổợ õổồỹc cỏỳu truùc Hỗnh 1.1 Bãn ngoi màût tråìi tráût tỉû thäng thỉåìng gäưm cạc ngun tỉí v phán tỉí Nọ tråí thnh plasma âọ cạc hảt nhán ca ngun tỉí chuøn âäüng tạch biãût våïi cạc electron Khi cạc hảt nhán tỉû cọ va chảm våïi s xút hiãûn nhỉỵng vủ näø nhiãût hảch Khi quan sạt cháút ca vỏỷt chỏỳt nguọỹi hồn trón bóử mỷt nhỗn thỏỳy õổồỹc ca Màût tråìi, cạc nh khoa hc â kãút lûn ràịng cọ phn ỉïng nhiãût hảch xy åí lng Màût tråìi Vãư cáúu trục, Màût tråìi cọ thãø chia lm vng, táút c håüp thnh mäüt khäúi cỏửu khờ khọứng lọử (hỗnh 1.2) Vuỡng giổợa goỹi laỡ nhán hay “li” cọ nhỉỵng chuøn âäüng âäúi lỉu, nåi xy nhỉỵng phn ỉïng nhiãût hảt nhán tảo nãn ngưn nàng lỉåüng màût tråìi, vng ny cọ bạn kênh khong 175.000km, khäúi lỉåüng riãng 160kg/dm3, nhiãût âäü ỉåïc tỉì 14 âãún 20 triãûu âäü, ạp sút vo khong hng tràm t atmotphe Vng kãú tiãúp Vng quang cáưu Bỉïc xả kh kiãún, häưng v tỉí Vng âäúi lỉu Phọng xả Vng trung gian Li Neutrino Sàõc quøn Vãút âen Tai lỉía Tia bỉïc xả X vaỡ Hỗnh 1.2 Cỏỳu truùc cuớa Mỷt trồỡi laỡ vng trung gian cn gi l vng “âäøi ngỉåüc” qua âọ nàng lỉåüng truưn tỉì ngoi, váût cháút åí vng ny gäưm cọ sàõt (Fe), can xi (Ca), nạt ri (Na), stronti (Sr), cräm (Cr), kãưn (Ni), cạcbon ( C), silêc (Si) v cạc khê hiârä (H2), hãli (He), chiãưu dy vng ny khong 400.000km Tiãúp theo l vng “âäúi lỉu” dy 125.000km v vng “quang cáưu” cọ nhiãût âäü khong 6000K, dy 1000km, åí vng ny gäưm cạc bt khê säi sủc, cọ chäù tảo cạc vãút âen, l cạc häú xoạy cọ nhiãût âäü tháúp khong 4500K v cạc tai lỉía cọ nhiãût âäü tỉì 7000K -10000K Vng ngoi cng l vng báút âënh v gi l “khê quøn” ca Màût tråìi Nhiãût âäü bãư màût ca Màût tråìi l 5762K nghéa l cọ giạ trë â låïn âãø cạc ngun tỉí täưn tải trảng thại kêch thêch, âäưng thåìi â nh âãø åí âáy thènh thong lải xút hiãûn nhỉỵng ngun tổớ bỗnh thổồỡng vaỡ caùc cỏỳu truùc phỏn tổớ Dổỷa trãn cå såí phán têch cạc phäø bỉïc xả v háúp thủ ca Màût tråìi ngỉåìi ta xạc âënh âỉåüc ràịng trãn màût tråìi cọ êt nháút 2/3 säú ngun tọỳ tỗm thỏỳy trón Traùi õỏỳt Nguyón tọỳ phọứ bióỳn nháút trãn Màût tråìi l ngun täú nhẻ nháút Hydrogen Váût cháút ca Màût tråìi bao gäưm khong 73.46% l Hydrogen v gáưn 24,85% l Hãlium, cn lải l cạc ngun täú v cạc cháút khạc Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium 0,05% v Sulphur 0,04% Ngưn nàng lỉåüng bỉïc xả ch úu ca Màût tråìi l phn ỉïng nhiãût hảch täøng håüp hảt nhán Hrä, phn ỉïng ny âỉa âãún sỉû tảo thnh Hãli Hảt nhán ca Hrä cọ mäüt hảt mang âiãûn dỉång l proton Thäng thỉåìng nhỉỵng hảt mang âiãûn cng dáúu âáøy nhau, nhỉng åí nhiãût âäü â cao chuøn âäüng ca chụng s nhanh tåïi mỉïc chụng cọ thãø tiãún gáưn tåïi åí mäüt khong cạch m åí âọ cọ thãø kãút håüp våïi dỉåïi tạc dủng ca cạc lỉûc hụt Khi âọ cỉï haût nhán Hyârä laûi taûo mäüt haût nhán Hãli, Neutrino v mäüt lỉåüng bỉïc xả γ (1.1) 4H11 → He24 + Neutrino + γ Neutrino laì hảt khäng mang âiãûn, ráút bãưn v cọ kh nàng âám xun ráút låïn Sau phn ỉïng cạc Neutrino láûp tỉïc råìi phảm vi màût tråìi v khäng tham gia vaỡo caùc bióỳn cọỳ sau õoù Trong quaù trỗnh diãùn biãún ca phn ỉïng cọ mäüt lỉåüng váût cháút ca Màût tråìi bë máút âi Khäúi lỉåüng ca Màût tråìi âọ mäùi giáy gim chỉìng 4.106 táún, nhiãn theo cạc nh nghiãn cỉïu, trảng thại ca Màût tråìi váùn khäng thay âäøi thåìi gian hng t nàm nỉỵa Mäùi ngy Màût tråìi sn xút mäüt ngưn nàng lỉåüng qua phn ỉïng nhiãût hảch lãn âãún 9.1024kWh (tỉïc l chỉa âáưy mäüt pháưn triãûu giáy Màût tråìi â gii phọng mäüt lỉåüng nàng lỉåüng tỉång âỉång våïi täøng säú âiãûn nàng saín xuáút mäüt nàm trãn Trại âáút) 1.2 PHN ỈÏNG HẢT NHÁN TRONG MÀÛT TRÅÌI 1.2.1 Phn ỉïng täøng håüp hảt nhán Hãli Trong quaù trỗnh hỗnh thaỡnh, nhióỷt õọỹ bón Mỷt tråìi s tàng dáưn Khi vng tám màût tråìi âảt nhióỷt õọỹ T 107K, thỗ coù õuớ õióửu kióỷn õóứ xy phn ỉïng täøng håüp Hãli tỉì Hrä, theo phổồng trỗnh: (1.2) 4H1 He4 + q ỏy l phn ỉïng sinh nhiãût q = ∆m.c , âọ c = 3.108m/s l váûn täúc ạnh sạng chán khäng, ∆m = (4mH - mHe) l khäúi lỉåüng bở huỷt, õổồỹc bióỳn thaỡnh nng lổồỹng theo phổồng trỗnh Einstein Mọựi 1kg haỷt nhỏn H1 chuyóứn thaỡnh He4 thỗ bë hủt mäüt khäúi lỉåüng ∆m = 0,01kg, v gii phọng nàng lỉåüng: (1.3) q = ∆m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J Lỉåüng nhiãût sinh s lm tàng aïp suáút khäúi khê, khiãún màût tråìi phaït aïnh sạng v bỉïc xả, v nåí cho âãún cán bàịng våïi lỉûc háúp dáùn Mäùi giáy Màût tråìi tiãu hy hån 420 triãûu táún hrä, gim khäúi lỉåüng ∆m = 4,2 triãûu táún v phạt nàng lỉåüng Q = 3,8.1026W Giai âoản âäút Hrä ca Màût tråìi â âỉåüc khåíi âäüng cạch âáy 4,5 t nàm, v cn tiãúp tủc khong 5,5 t nàm nỉỵa 1.2.2 Phn ỉïng täøng håüp Cạcbon v cạc ngun täú khạc Khi nhiãn liãûu H2 dng sàõp hãút, phn ỉïng täøng håüp He s úu dáưn, ạp lỉûc bỉïc xả bãn khäng â mảnh âãø cán bàịng lỉûc nẹn háúp dáùn, khiãún thãø têch co laûi Khi co laûi, khê He bãn bë neïn nãn nhiãût âäü tàng dáưn, cho âãún âảt tåïi nhiãût âäü 108K, s xy phn ỉïng täøng håüp nhán Cacbon tỉì He : (1.4) 3He4 → C12 + q Phn ỉïng ny xaíy åí nhiãût âäü cao, täúc âäü låïn, nãn thåìi gian chạy He chè bàịng 1/30 thåìi gian chạy H2 khoaíng 300 triãûu nàm Nhiãût sinh phaín ỉïng lm tàng ạp sút bỉïc xả, khiãún ngäi nåí hng tràm láưn so våïi trỉåïc Lục ny màût ngoi nhiãût âäü khong 4000K, cọ mu â, nãn gi l â khäøng läư Vo thåìi âiãøm l â khäøng läư, Màût tråìi s nút chỉíng Thy v Kim, nung Trại âáút âãún 1500K thnh mäüt hnh tinh nọng chy, kãút thục sỉû sọỳng taỷi õỏy Kóỳt thuùc quaù trỗnh chaùy He, aùp lỉûc gim, lỉûc háúp dáùn ẹp co lải, lm máût âäü v nhiãût âäü tàng lãn, âãún T= 5.106K s xy phn ỉïng tảo Oxy: 4C12→ 3O16 + q (1.5) Quaù trỗnh chaùy xaớy nhổ trãn, våïi täúc âäü tàng dáưn v thåìi gian ngàõn dỏửn Chu trỗnh chaùy - từt - neùn - chaùy âỉåüc tàng täúc, liãn tiãúp thỉûc hiãûn cạc phn ỉïng taûo nguyãn täú måïi O16 -> Ne20 -> Na22 -> Mg24 -> Al26 -> Si28 -> P30 -> S32 -> -> Cr52 -> Mn54 -> Fe56 Cạc phn ỉïng trãn â tảo hån 20 ngun täú, táûn cng l Fe56 (gäưm 26 proton v 30 netron), ton bäü quaù trỗnh õổồỹc tng tọỳc, xaớy chố vaỡi triãûu nàm Sau tảo Fe56, chùi phn ỉïng haỷt nhỏn ngọi kóỳt thuùc, vỗ vióỷc tọứng håüp sàõt thnh ngun täú nàûng hån khäng cọ âäüü hủt khäúi lỉåüng, khäng phạt sinh nàng lỉåüng, m cáưn phi cáúp thãm nàng lỉåüng 1.3 TRẠI ÂÁÚT V KHÊ QUYỉN CUA TRAẽI T Traùi õỏỳt õổồỹc hỗnh thaỡnh caùch âáy gáưn t nàm tỉì mäüt vnh âai bủi khê quay quanh Màût tråìi, kãút tủ thnh mäüt qu cáưu xäúp tỉû xoay v quay quanh Màût tråìi Lỉûc háúp dáùn ẹp qu cáưu co lải, khiãún nhiãût âäü tàng lãn hng ngn âäü, lm nọng chy qu cáưu, âọ cạc ngun täú nàûng Sàõt v Niken chỗm dỏửn vaỡo tỏm taỷo loợi quaớ õỏỳt, xung quanh l magma lng, ngoi cng l khê quøn så khai gäưm H2, He, H2O, CH4, NH3 v H2SO4 Trại âáút tiãúp tủc quay, ta nhiãût v ngüi dáưn Cạch âáy 3,8 t nàm nhiãût âäü Trại âáút â ngüi âãø Silicat näøi lãn trãn 10 màût magma räöi âäng cỉïng lải, tảo v trại âáút dy khong 25km, våïi nụi cao, âáút bàịng v häú sáu Nàng lỉåüng phọng xả lng âáút våïi bỉïc xả Màût tråìi tiãúp tủc gáy cạc biãún âäøi âëa táưng, v taûo thãm H2O, N2, O2, CO2 khê quyãøn Khê quøn ngüi dáưn âãún âäü nỉåïc ngỉng tủ, gáy mỉa kẹo di hnh triãûu nàm, tảo säng häư, biãøn v âải dỉång Cạch âáy gáưn t nàm, nhỉỵng sinh váût âáưu tiãn xút hiãûn nỉåïc, sau âọ phạt triãøn thnh sinh váût cáúp cao v tiãún hoạ thnh ngỉåìi Trại âáút, hnh tinh thỉï tỉì Màût tråìi, cng våïi Màût tràng, mäüt vãû tinh nháút tảo mäüt hãû thäúng hnh tinh kẹp âàûc biãût Trại âáút l hnh tinh låïn nháút säú cạc hnh tinh bãn ca hãû màût trồỡi vồùi õổồỡng kờnh ồớ xờch õaỷo 12.756 km Nhỗn tỉì khäng gian, Trại âáút cọ mu xanh, náu v xanh lạ cáy våïi nhỉỵng âạm máy tràõng thỉåìng xun thay âäøi Bãư màût Trại âáút cọ mäüt âàûc m khäng mäüt hnh tinh no khạc cọ: hai trảng thại ca váût cháút cng täưn tải bãn åí c thãø ràõn v thãø lng Vng ranh giåïi giỉỵa biãøn v âáút liãưn l nåi nháút v trủ cọ váût cháút hiãûn hỉỵu äøn âënh c thãø ràõn, lng v khê Hnh tinh trại âáút di chuøn trãn mäüt qu âảo gáưn ellip, Màût tråìi khäng åí tám ca ellip, m l tải tiãu âiãøm Trong thåìi gian mäüt nàm, cọ Trại âáút gáưn, cọ xa Màût tråìi âäi chụt, vỗ quyợ õaỷo ellip cuớa noù gỏửn nhổ hỗnh troỡn Hng nàm, vo thạng giãng, Trại âáút gáưn Màût tråìi hån so våïi vo thạng khong triãûu km, sỉû sai biãût ny quạ nh so våïi khong cạch màût tråìi âãún Trại âáút Chụng ta khäng cm nháûn âỉåüc sỉû khạc biãût ny mäüt vng quay ca Trại âáút quanh Màût tråìi, hay mäüt nàm, sỉû khạc biãût vãư khong cạch ny háưu khäng nh hổồớng gỗ õóỳn muỡa õọng vaỡ muỡa heỡ trón traùi âáút, chè cọ âiãưu l vo ma âäng chụng ta åí gáưn Màût tråìi hån so våïi ma h chụt êt 11 ... ổùng t? ?ứng hồỹp haỷt nhỏn Hóli Trong quaù trỗnh hỗnh thaỡnh, nhióỷt õọỹ bón Mỷt trồỡi seợ tng dáưn Khi vng tám màût tråìi âảt nhiãût âäü T≥ 107K, thỗ coù õuớ õióửu kióỷn õóứ xaớy phaớn ổùng t? ?ứng. .. (låïn hån 110 láưn âỉåìng kênh Trại âáút), cạch xa trại âáút 150.106km (bàịng mäüt âån vë thiãn vàn AU ạnh sạng Màût tråìi cáưn khong âãø vỉåüt qua khong ny âãún Trại âáút) Khäúi lỉåüng Màût tråìi... tàng täúc, xy chè vi triãûu nàm Sau tảo Fe56, chùi phn ỉïng hảt nhán ngọi kóỳt thuùc, vỗ vióỷc t? ?ứng hồỹp sừt thaỡnh ngun täú nàûng hån khäng cọ âäüü hủt khäúi lỉåüng, khäng phạt sinh nàng lỉåüng,