1 0 Bài BàiBài Bài giảng giảnggiảng giảng: :: : NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ĐH BÁCH KHOA TP.HCM Giảng viên: ThS. Trần Công Binh 4/20124/2012 Năng lượng tái tạo 1 C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1. Nguồn năng lượng mặt trời 2. Tế bào quang điện 3. Đặc tuyến I-V của pin quang điện 4. Công nghệ chế tạo pin quang điện 5. Đặc tính làm việc của pin quang điện 6. Hệ điện mặt trời độc lập 7. Hệ điện mặt trời hòa lưới 2 Năng lượng tái tạo 2 The Solar Resource • Before we can talk about solar power, we need to talk about the sun • Need to know how much sunlight is available • Can predict where the sun is at any time • Insolation : incident solar radiation • Want to determine the average daily insolation at a site • Want to be able to chose effective locations and panel tilts of solar panels Năng lượng tái tạo 3 The Sun and Blackbody Radiation • The sun – 1.4 million km in diameter – 3.8 x 10 20 MW of radiated electromagnetic energy • Blackbodies – Both a perfect emitter and a perfect absorber – Perfect emitter – radiates more energy per unit of surface area than a real object of the same temperature – Perfect absorber – absorbs all radiation, none is reflected 3 Năng lượng tái tạo 4 Plank’s Law • Plank’s law – wavelengths emitted by a blackbody depend on temperature 8 5 3.74 10 (7.1) 14400 exp 1 E T λ λ λ × =     −         • λ = wavelength (µm) • E λ = emissive power per unit area of blackbody (W/m 2 -µm) • T = absolute temperature (K) Năng lượng tái tạo 5 Electromagnetic Spectrum Source: en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation Visible light has a wavelength of between 0.4 and 0.7 µm, with ultraviolet values immediately shorter, and infrared immediately longer 4 Năng lượng tái tạo 6 288 K Blackbody Spectrum The earth as a blackbody Figure 7.1 Area under curve is the total radiant power emitted Năng lượng tái tạo 7 Stefan-Boltzmann Law • Total radiant power emitted is given by the Stefan – Boltzman law of radiation 4 (7.2) E A T σ = • E = total blackbody emission rate (W) • σ = Stefan-Boltzmann constant = 5.67x10 -8 W/m 2 -K 4 • T = absolute temperature (K) • A = surface area of blackbody (m 2 ) 5 Năng lượng tái tạo 8 Wien’s Displacement Rule • The wavelength at which the emissive power per unit area reaches its maximum point max 2898 (7.3) T λ = • T = absolute temperature (K) • λ = wavelength (µm) • λ max =0.5 µm for the sun , T = 5800 K • λ max = 10.1 µm for the earth (as a blackbody), T = 288 K Năng lượng tái tạo 9 Extraterrestrial Solar Spectrum Figure 7.2 6 Năng lượng tái tạo 10 Air Mass Ratio • h 1 = path length through atmosphere with sun directly overhead • h 2 = path length through atmosphere to spot on surface • β = altitude angle of the sun Figure 7.3 As sunlight passes through the atmosphere, less energy arrives at the earth’s surface Năng lượng tái tạo 11 Air Mass Ratio • Air mass ratio of 1 (“AM1”) means sun is directly overhead (m=1) • AM0 means no atmosphere • AM1.5 is assumed average at the earth’s surface (m=1.5) 2 1 1 air mass ratio = (7.4) sin h m h β = Figure 7.3 7 Năng lượng tái tạo 12 Solar Spectrum on Surface m increases as the sun appears lower in the sky. Notice there is a large loss towards the blue end for higher m, which is why the sun appears reddish at sun rise and sun set Năng lượng tái tạo 13 The Earth’s Orbit • One revolution every 365.25 days • Distance of the earth from the sun • n = day number (Jan. 1 is day 1) • d (km) varies from 147x10 6 km on Jan. 2 to 152x10 6 km on July 3 (closer in winter, further in summer) • Note that the angles in this chapter are in degrees 8 360( 93) 1.5 10 1 0.017sin km (7.5) 365 n d −     = × +         8 Năng lượng tái tạo 14 The Earth’s Orbit • In one day, the earth rotates 360.99˚ • The earth sweeps out what is called the ecliptic plane • Earth’s spin axis is currently 23.45˚ • Equinox – equal day and night, on March 21 and September 21 • Winter solstice – North Pole is tilted furthest from the sun • Summer solstice – North Pole is tilted closest to the sun Năng lượng tái tạo 15 The Earth’s Orbit Figure 7.5 For solar energy applications, we’ll consider the characteristics of the earth’s orbit to be unchanging 9 Năng lượng tái tạo 16 Solar Declination • Solar declination δ – the angle formed between the plane of the equator and the line from the center of the sun to the center of the earth • δ varies between +/- 23.45˚ • Assuming a sinusoidal relationship, a 365 day year, and n=81 is the spring equinox, the approximation of δ for any day n can be found from ( ) 360 23.45sin 81 (7.6) 365 n δ   = −     Năng lượng tái tạo 17 The Sun’s Position in the Sky • Predict where the sun will be in the sky at any time • Pick the best tilt angles for photovoltaic (PV) panels Figure 7.6 • Another perspective- Solar declination 10 Năng lượng tái tạo 18 Solar Noon and Collector Tilt • Solar noon – sun is directly over the local line of longitude • Rule of thumb for the Northern Hemisphere - a south facing collector tilted at an angle equal to the local latitude • During solar noon, the sun’s rays are perpendicular to the collector face Figure 7.8 Năng lượng tái tạo 19 Altitude Angle β N at Solar Noon • Altitude angle at solar noon β N – angle between the sun and the local horizon • Zenith – perpendicular axis at a site 90 (7.7) N L β δ = ° − + Figure 7.9 [...]... Spain Năng lượng tái tạo 51 26 T bào quang đi n Năng lượng tái tạo 52 Pin quang đi n Năng lượng tái tạo 53 27 Pin quang đi n Năng lượng tái tạo 54 V t li u quang đi n Năng lượng tái tạo 55 28 M c năng lư ng Năng lượng tái tạo 56 M c năng lư ng Năng lượng tái tạo 57 29 M c năng lư ng Năng lượng tái tạo 58 M c năng lư ng Năng lượng tái tạo 59 30 M c năng lư ng Năng lượng tái tạo 60 M c năng lư ng Năng lượng. .. tái tạo 61 31 Ph năng lư ng m t tr i Năng lượng tái tạo 62 Ph năng lư ng m t tr i Năng lượng tái tạo 63 32 nh hư ng c a m c năng lư ng lên hi u su t quang đi n Năng lượng tái tạo 64 M i n i p-n Năng lượng tái tạo 65 33 M i n i p-n Năng lượng tái tạo 66 M i n i p-n Năng lượng tái tạo 67 34 M i n i p-n Năng lượng tái tạo 68 Diode dùng m i n i p-n Năng lượng tái tạo 69 35 Diode dùng m i n i p-n Năng lượng. .. 24 1-hour time zones, each spanning 15˚ of longitude Năng lượng tái tạo 32 World Time Zone Map Năng lượng tái tạo Source: http://aa.usno.navy.mil/graphics/TimeZoneMap0802.pdf 33 17 US Local Time Meridians (Table 7.4) Time Zone Local Time Meridian Eastern Central Mountain Pacific Eastern Alaska Alaska and Hawaii 75˚ 90˚ 105˚ 120˚ 135˚ 150˚ Năng lượng tái tạo 34 Solar Time vs Clock Time • The earth’s elliptical... about 20% more for a single axis, and 25 to 30% more for a two axis Năng lượng tái tạo 48 Monthly and Annual Insolation • For a fixed system the total annual output is somewhat insensitive to the tilt angle, but there is a substantial variation in when the most energy is generated Năng lượng tái tạo 49 25 US Annual Insolation Năng lượng tái tạo 50 Worldwide Annual Insolation In 2007 worldwide PV peak... obstructions Sections of the sun path diagram that are covered indicate times when the site will be in the shade Năng lượng tái tạo 28 Sun Path Diagram for Shading Analysis • Trees to the southeast, small building to the southwest • Can estimate the amount of energy lost to shading Năng lượng tái tạo Figure 7.15 29 15 California Solar Shade Control Act • The shading of solar collectors has been an area... provides passive cooling with net energy savings exceeding that of the shaded collector First people were convicted in 2008 because of their redwoods Năng lượng tái tạo 30 The Guilty Trees were Subject to Court Ordered Pruning Source: NYTimes, 4/7/08 Năng lượng tái tạo 31 16 Solar Time vs Clock Time • Most solar work deals only in solar time (ST) • Solar time is measured relative to solar noon • Two adjustments... March 1 is day n = 60 Năng lượng tái tạo 20 Example 7.2 – Tilt of a PV Module • The solar declination δ is 360  360 ( n − 81)  = 23.45sin  ( 60 − 81)  = -8.3°   365   365    The altitude angle is β N = 90° − L + δ = 90° − 32.1° − 8.3° = 49.6° δ = 23.45sin  • • To make the sun’s rays perpendicular to the panel, we need to tilt the panel by tilt = 90° − β N = 40.4° Năng lượng tái tạo 21 11 Solar... the day number Năng lượng tái tạo 35 18 Solar Time vs Clock Time • Combining longitude correction and the Equation of Time we get the following: Solar Time (ST) = Clock Time (CT) + 4 min ( LT Meridian − Local Longitude ) +E (min) degree (7.14) • • • • CT – clock time ST – solar time LT Meridian – Local Time Meridian During Daylight Savings, add one hour to the local time Năng lượng tái tạo 36 Example... B= Năng lượng tái tạo 37 19 Example 7.5 – Solar Time vs Local Time • The local time meridian for Boston is 75˚, so the • difference is 75 ˚-71.7 ˚, and we know that each degree corresponds to 4 minutes Using (7.14) CT = ST − 4 ( min/ ° )( 75° − 71.1° ) − (−3.5min) CT = 12 : 00 − 12.1min = 11: 49.9 AM EST • But we need to adjust it for Daylight Savings, so add 1 hour CT = 12 : 49.9 AM EDT Năng lượng tái. .. (geometric) = 12 : 00 − Năng lượng tái tạo H SR 15° / h (7.18) 39 20 Sunrise and Sunset • Weather service definition is the time at which the • • upper limb (top) of the sun crosses the horizon, but the geometric sunrise is based on the center There is also atmospheric refraction Adjustment factor Q 3.467 Q= (min) (7.19) cos L cos δ sin H SR • Subtract this from the geometric sunrise Năng lượng tái tạo 40 Clear . 1 0 Bài BàiBài Bài giảng giảnggiảng giảng: :: : NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ĐH BÁCH KHOA TP.HCM Giảng viên: ThS. Trần Công Binh 4/20124/2012 Năng lượng tái tạo 1 C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1. Nguồn năng. infrared immediately longer 4 Năng lượng tái tạo 6 288 K Blackbody Spectrum The earth as a blackbody Figure 7.1 Area under curve is the total radiant power emitted Năng lượng tái tạo 7 Stefan-Boltzmann. λ max = 10.1 µm for the earth (as a blackbody), T = 288 K Năng lượng tái tạo 9 Extraterrestrial Solar Spectrum Figure 7.2 6 Năng lượng tái tạo 10 Air Mass Ratio • h 1 = path length through atmosphere