Năng lượng mặt trời

Chương 1
MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỔNG QUÁT
Một vài số liệu về Mặt trời
- Đường kính: 1,39.106km
- Khoảng cách đến Trái đất: 150.106km, khoảng cách này có thể biến đổi ?1,7%.
- Nhiệt độ bề mặt: 6000K
- Nhiệt độ vùng trung tâm: 8.106K - 40.106K
- Khối lượng riêng trung bình: 80 - 100 lần so với nước
- Năng lượng bức xạ phần lớn tập trung trong vùng có bước sóng từ 0,29?m đến 3?m; tuy nhiên chỉ có các bước sóng từ 0,29?m đến 2,5?m là có thể sử dụng được.
Gọi R là bán kính Mặt trời, ta ghi nhận các thông tin sau:
- Khoảng 90% năng lượng xuất phát trong vùng từ tâm đến 0,23R / Phần thể tích này chiếm khoảng 40% khối lượng của Mặt trời.
- Từ 0,7R trở đi nhiệt độ giảm xuống còn khoảng 130.000K, khối lượng riêng khoảng 70kg/m3, bắt đầu diễn ra quá trình đối lưu.
- Ở bề mặt, khối lượng riêng rất nhỏ, chỉ còn khoảng 10-5kg/m3.
- Hằng số Mặt trời: 1362W/m2.
ĐẶC ĐIỂM CÁC TIA BỨC XẠ
PHÁT RA TỪ MẶT TRỜI
Có tính chất gần giống với các tia bức xạ phát ra từ vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ gần 6000 K. Trong đó, có khoảng 8% năng lượng nằm trong vùng tia cực tím (Ultra-violet), 44% năng lượng nằm trong vùng các tia bức xạ nhìn thấy được và 48% năng lượng nằm trong vùng các tia hồng ngoại (Infra-red).
Khi đi vào bầu khí quyển, bức xạ mặt trời sẽ bị:
(i) tán xạ chủ yếu bởi các phân tử không khí, hơi nước, hạt nước, hạt bụi,.Kết quả: có khoảng 6% số tia bức xạ bị dội ngược ra ngoài không gian, 20% số tia đến bề mặt đất như các tia khuếch tán.
(ii) hấp thụ bởi các phân tử ozone (ở độ cao trên 40km, khoảng 3% các tia bức xạ đến từ Mặt trời, chủ yếu trong vùng tia cực tím)
- Các tia cực tím ?<0,29?m: bị hấp thụ mạnh.
����� - Các tia có ?>0,29?m: khả năng hấp thụ giảm xuống đáng kể.
-Khi ?>0,35?m: không còn khả năng hấp thụ.
(Tuy nhiên, ở vùng lân cận bước sóng 0,6?m thì ozone vẫn còn khả năng hấp thụ một ít).
(iii) hấp thụ bởi hơi nước (ở độ cao thấp hơn, khoảng 14% các tia bức xạ đến từ Mặt trời, chủ yếu trong vùng lân cận tia hồng ngoại, đặc biệt ở trong vùng lân cận các bước sóng 1?m, 1,4?m và 1,8?m).
(iiii) khả năng hấp thụ các tia bức xạ bởi mây, CO2 và oxygen rất nhỏ.
(iiiii) kết quả rất ít các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 0,23?m có thể đến được bề mặt Trái đất.

SOLAR SPECTRUM
PHẢN XẠ TỪ MẶT ĐẤT
@Khả năng phản xạ các tia bức xạ mặt trời phụ thuộc vào đặc điểm của bề mặt phản xạ.
@Số phần trăm lượng bức xạ mặt trời bị phản chiếu bởi một bề mặt nào đó trên bề mặt đất gọi là ALBEDO của bề mặt đó.
@ALBEDO của một số loại bề mặt:
Ghi chú: giá trị của Albedo trong hình này biến đổi từ 0,4 đến 0 / màu đỏ: phản xạ tốt, màu vàng và xanh lá cây: phản xạ trung bình, màu xanh dương và tím: phản xạ ít hơn, màu trắng: chưa có số liệu.
The global annual averaged ALBEDO is approximately 30%
Nói chung, trị số Albedo thay đổi tùy theo mùa và vị trí khảo sát.
Albedo của bề mặt có tuyết rất lớn.
Albedo của biển rất thấp.
Mặc dù phía Bắc bán cầu có nhiều đất hơn Nam bán cầu, nhưng trị số Albedo trung bình năm của hai bán cầu được xem là như nhau, điều đó cho thấy ảnh hưởng quan trọng của mây trong quá trình xác định Albedo.
SỰ PHÂN BỐ CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ MẶT TRỜI
Khảo sát Bắc bán cầu, nói chung ta có các kết luận sau:
@Từ 0-15N: cường độ bức xạ mặt trời trung bình do đây là khu vực có nhiều mây và độ ẩm cao, có thể có khoảng 2500 giờ nắng/năm, thành phần tia trực xạ giảm bớt, cường độ bức xạ không biến đổi nhiều trong năm.
@Từ 15N-35N: cường độ bức xạ mặt trời rất tốt, có thể có hơn 3000 giờ nắng/năm. Bầu trời ít mây, có khoảng 90% các tia bức xạ đến dưới dạng tia trực xạ.

@Từ 35N-45N: cường độ bức xạ mặt trời giảm đáng kể, thành phần khuếch tán gia tăng do sự tăng vĩ độ và sự giảm góc cao độ của mặt trời. Mây và mức độ ô nhiễm của bầu khí quyển cũng góp phần làm giảm cường độ bức xạ mặt trời.
@Từ 45N trở lên: khoảng 50% tia bức xạ mặt trời thuộc thành phần khuếch tán.
Ta có thể rút ra các kết luận tương tự cho khu vực Nam bán cầu.
CÁC DỤNG CỤ ĐO CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ MẶT TRỜI

Pyrheliometer
Pyranometer (Solarimeter)
Pyrgeometer (Precision Infrared Radiometer)
Pyradiometer
PYRHELIOMETER
Mục đích: đo cường độ tia trực xạ đến bề mặt pháp tuyến (khi đo hướng dụng cụ đo thẳng về phía Mặt trời).
Về mặt kết cấu, đĩa sensor được đặt ở đáy của ống tube để ngăn chặn các tia khuếch tán (trục ống tube được đặt cùng phương với tia trực xạ).
Có ba loại:
@Angstrom Compensation Pyrheliometer.
@Abbot Silver Disk Pyrheliometer.
@Eppley Pyrheliometer.

Nguyên lý hoạt động:
-Đặt dụng cụ đo hướng về phía đối tượng.
-Giữ cho lỗ hở ở đầu ống tube đủ kín để chỉ hứng tia trực xạ.
-Dưới tác động của các tia trực xạ, đĩa sensor gắn ở đáy ống sẽ nóng lên, dụng cụ đo (Digital thermometer hay K-type thermocouple) sẽ ghi nhận sự biến đổi nhiệt độ theo thời gian.
-Trên cơ sở quan hệ nhiệt độ theo thời gian, sẽ thực hiện các phép tính trung gian để chuyển đổi thành cường độ tia trực xạ theo thời gian.
PYRANOMETER
Mục đích: đo cường độ bức xạ tổng (bao gồm thành phần trực xạ và khuếch tán) đến trên mặt phẳng nằm ngang. Khi che chắn thành phần trực xạ, có thể dùng Pyranometer để đo thành phần khuếch tán).
Cấu tạo chung:

PYRGEOMETER

Muïc ñích: ño caùc tia böùc xaï coù böôùc soùng lôùn hôn 3 µm (caùc tia phaûn xaï bôûi beà maët ñaát).
PYRADIOMETER
Mục đích: đo cường độ bức xạ tổng (net total radiation flux / có nghĩa là solar, terrestrial hoặc atmospheric) đến một mặt phẳng nằm ngang theo hướng từ trên xuống hoặc từ dưới lên (trong vùng sóng ngắn và sóng dài).
DỤNG CỤ XÁC ĐỊNH
SỐ GIỜ NẮNG
DỤNG CỤ XÁC ĐỊNH SỐ GIỜ NẮNG
(Duration of Sunshine)
Cấu tạo: bao gồm một quả cầu bằng thủy tinh để hội tụ các tia bức xạ mặt trời, trục của quả cầu được đặt song song với trục Trái đất.
Nguyên lý hoạt động: quả cầu sẽ hội tụ các tia bức xạ mặt trời thành đốm sáng có cường độ cao. Khi Trái đất quay, đốm sáng sẽ di chuyển và ghi dấu lên tấm card đặt đồng tâm với quả cầu. Khi Mặt trời lặn thì dấu ghi trên tấm card sẽ đứt đoạn; độ dài của vệt ghi trên card tỉ lệ với Duration of Sunshine.