Xem mẫu
- Chương 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1. Năng lượng bức xạ mặt trời
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 (hình 2.1). 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 thứ :
Ở đây - hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời
- góc nhìn mặt trời và 32’ như hình 2.2
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)
Vậy 1353 W/m2
Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên cũng
thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q là
không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và
tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được
truyền trực tiếp tới trái đất. Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O2 phân ly thành ôxy
nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn
0,18m, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như
vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn
đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn
O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với ôxy, dưới tác
dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32m, sự phân tách O3 thành O2 và O
xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì
quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là một quá trình ổn định. Do quá trình
này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.
- Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương
tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của
chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại
không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất.
Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang
theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không
lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời khi đi qua khí
quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nưóc,
khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng,
mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang
đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2 hình 2.3.
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là
quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán
xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Các mùa
hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh mặt
trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5o và thực tế xem như không đổi trong không
gian. Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với mặt
trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm.
Phân bố cường độ bức xạ đơn sác E0() của mặt trời được xác định theo định luật
Planck, có dạng:
Diện tích phía dưới đường cong sẽ mô tả cường độ bức xạ toàn phần E0 của Mặt trời.
Phần công suất mang tia sáng (AS) thấy được là:
EAS =
E0 đạt cưc trị tại m = 2,98.10-3/T0 = 0,5m và
E0max = E0(m,T0) = 8,3.1013 W/m3
Cường độ bức xạ toàn phần: E0 = 0.T04 = 6,25.107 W/m2
Công suất bức xạ toàn phần của Mặt trời:
Q0 = E0.F = .D2.0.T04 = 3,8.1026W.
Công suất này bằng 4.1013 lần tổng công suất điện toàn thế giới hiện nay, vào khoảg P =
1013W.
2.2. Ph-¬ng ph¸p tÝnh to¸n n¨ng lîng bøc x¹ mƯt tríi
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của
các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng
trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt trời (Góc giữa phương từ
điểm quan sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). YÕu tỉ c¬ b¶n x¸c
®Þnh c-íng ®ĩ cña bøc x¹ mƯt tríi ị mĩt ®iÓm nµo ®ê trªn tr¸i ®Ít lµ qu•ng ®-íng nê ®i
qua. Sù mÍt m¸t n¨ng l-îng trªn qu•ng ®-íng ®ê g¾n liÒn víi sù t¸n x¹, hÍp thô bøc x¹ vµ
phô thuĩc vµo thíi gian trong ngµy, mïa, vÞ trÝ ®Þa lý.
Quan hÖ gi÷a bøc x¹ mƯt tríi ngoµi khÝ quyÓn vµ thíi gian trong n¨m cê thÓ x¸c ®Þnh
theo ph-¬ng tr×nh sau:
Eng = Eo(1+0, 033cos ), W/m2
- trong ®ê, Eng lµ bøc x¹ ngoµi khÝ quyÓn ®-îc ®o trªn mƯt ph¼ng vu«ng gêc víi tia
bøc x¹ vµo ngµy thø n trong n¨m.
2.2.1. TÝnh to¸n gêc tíi cña bøc x¹ trùc x¹
Trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n cÌn ®Þnh nghÜa mĩt sỉ kh¸i niÖm nh sau:
- HÖ sỉ khỉi kh«ng khÝ: m, lµ tû sỉ gi÷a khỉi lîng khÝ quyÓn theo ph¬ng tia bøc x¹
truyÒn qua vµ khỉi lîng khÝ quyÓn theo ph¬ng th¼ng ®øng (tøc lµ khi mƯt tríi ị thiªn
®Ønh). Nh- vỊy m =1 khi mƯt tríi ị thiªn ®Ønh, m =2 khi gêc thiªn ®Ønh z lµ 600. §ỉi
víi c¸c gêc thiªn ®Ønh tõ 0-700 cê thÓ x¸c ®Þnh gÌn ®óng m =1/cosz. Cßn ®ỉi víi c¸c
gêc z>700 th× ®ĩ cong cña bÒ mƯt tr¸i ®Ít ph¶i ®îc ®a vµo tÝnh to¸n. Riªng ®ỉi víi
tr-íng hîp tÝnh to¸n bøc x¹ mƯt tríi ngoµi khÝ quyÓn m =0.
- Trùc x¹: lµ bøc x¹ mƯt tríi nhỊn ®îc khi kh«ng bÞ bÌu khÝ quyÓn ph¸t t¸n. §©y lµ
dßng bøc x¹ cê h-íng vµ cê thÓ thu ®-îc ị c¸c bĩ thu kiÓu tỊp trung (hĩi tô).
- T¸n x¹: lµ bøc x¹ mƯt tríi nhỊn ®îc sau khi híng cña nê ®• bÞ thay ®ưi do sù ph¸t t¸n
cña bÌu khÝ quyÓn (trong mĩt sỉ tµi liÖu khÝ tîng, t¸n x¹ cßn ®-îc gôi lµ bøc x¹ cña bÌu
tríi, ị ®©y cÌn ph©n biÖt t¸n x¹ cña mƯt tríi víi bøc x¹ hơng ngo¹i cña bÌu khÝ quyÓn
ph¸t ra).
- Tưng x¹: lµ tưng cña trùc x¹ vµ t¸n x¹ trªn mĩt bÒ mƯt (phư biÕn nhÍt lµ tưng x¹ trªn mĩt
bÒ mƯt n»m ngang, thíng gôi lµ bøc x¹ cÌu trªn bÒ mƯt).
- C-íng ®ĩ bøc x¹ (W/m2): lµ c-íng ®ĩ n¨ng lîng bøc x¹ mƯt tríi ®Õn mĩt bÒ mƯt t¬ng
øng víi mĩt ®¬n vÞ diÖn tÝch cña bÒ mƯt. Cíng ®ĩ bøc x¹ còng bao gơm cíng ®ĩ bøc
x¹ trùc x¹ Etrx, c-íng ®ĩ bøc x¹ t¸n x¹ Etx vµ c-íng ®ĩ bøc x¹ quang phư Eqp.
- N¨ng lîng bøc x¹ (J/m2 : lµ n¨ng lîng bøc x¹ mƯt tríi truyÒn tíi mĩt ®¬n vÞ diÖn tÝch
bÒ mƯt trong mĩt kho¶ng thíi gian, nh vỊy n¨ng lîng bøc x¹ lµ mĩt ®¹i l-îng b»ng tÝch
ph©n cña c-íng ®ĩ bøc x¹ trong mĩt kho¶ng thíi gian nhÍt ®Þnh (th-íng lµ 1 gií hay 1
ngµy).
- Gií mƯt trí : lµ thíi gian dùa trªn chuyÓn ®ĩng biÓu kiÕn cña mƯt tríi trªn bÌu tríi, víi
quy íc gií mƯt tríi chÝnh ngô lµ thíi ®iÓm mƯt tríi ®i qua thiªn ®Ønh cña ngíi quan
s¸t. Gií mƯt tríi lµ thíi gian ®îc sö dông trong môi quan hÖ vÒ gêc mƯt tríi, nê kh«ng
®ơng nghÜa víi gií theo ®ơng hơ.
Quan hÖ h×nh hôc gi÷a mĩt mƯt ph¼ng bỉ trÝ bÍt kú trªn mƯt ®Ít vµ bøc x¹ cña mƯt
tríi truyÒn tíi, tøc lµ vÞ trÝ cña mƯt tríi so víi mƯt ph¼ng ®ê cê thÓ ®îc x¸c ®Þnh
theo c¸c gêc ®Ưc tr-ng sau (h×nh 2.5):
- Gêc vÜ ®ĩ : vÞ trÝ gêc t-¬ng øng víi vÜ ®ĩ vÒ phÝa b¾c hoƯc vÒ phÝa nam ®-íng
xÝch ®¹o tr¸i ®Ít, víi h-íng phÝa b¾c lµ h-íng d-¬ng.
- 900 900
- Gêc nghiªng : gêc gi÷a mƯt ph¼ng cña bÒ mƯt tÝnh to¸n vµ ph-¬ng n»m ngang.
0 1800
( > 900 nghÜa lµ bÒ mƯt nhỊn bøc x¹ h-íng xuỉng phÝa díi).
- Gêc ph-¬ng vÞ cña bÒ mƯt : gêc lÖch cña h×nh chiÕu ph¸p tuyÕn bÒ mƯt trªn mƯt
ph¼ng n»m ngang so víi ®-íng kinh tuyÕn. Gêc = 0 nÕu bÒ mƯt quay vÒ h-íng
chÝnh nam, lÍy dÍu (+) nÕu bÒ mƯt quay vÒ phÝa t©y vµ lÍy dÍu (-) nÕu bÒ mƯt
quay vÒ phÝa ®«ng.
-1800 1800
- - Gêc gií : gêc chuyÓn ®ĩng cña vÞ trÝ mƯt tríi vÒ phÝa ®«ng hoƯc phÝa t©y cña
kinh tuyÕn ®Þa ph-¬ng do qu¸ tr×nh quay cña tr¸i ®Ít quanh trôc cña nê vµ lÍy gi¸ trÞ
150 cho 1 gií ®ơng hơ, buưi s¸ng lÍy dÍu (-), buưi chiÒu lÍy dÍu (+).
- Gêc tíi : gêc gi÷a tia bøc x¹ truyÒn tíi bÒ mƯt vµ ph¸p tuyÕn cña bÒ mƯt ®ê.
- Gêc thiªn ®Ønh z: gêc gi÷a ph-¬ng th¼ng ®øng (thiªn ®Ønh) vµ tia bøc x¹ tíi. Trong
tr-íng hîp bÒ mƯt n»m ngang th× gêc thiªn ®Ønh chÝnh lµ gêc tíi .
- Gêc cao mƯt tríi : gêc gi÷a ph¬ng n»m ngang vµ tia bøc x¹ truyÒn tíi, tøc lµ gêc
phô cña gêc thiªn ®Ønh.
- Gêc ph-¬ng vÞ mƯt tríi s: gêc lÖch so víi ph¬ng nam cña h×nh chiÕu tia bøc x¹ mƯt
tríi truyÒn tíi trªn mƯt ph¼ng n»m ngang. Gêc nµy lÍy dÍu ©m (-) nÕu h×nh chiÕu lÖch
vÒ phÝa ®«ng vµ lÍy dÍu d-¬ng (+) nÕu h×nh chiÕu lÖch vÒ phÝa t©y.
- Gêc lÖch : vÞ trÝ gêc cña mƯt tríi t¬ng øng víi gií mƯt tríi lµ 12 gií (tøc lµ khi mƯt
tríi ®i qua kinh tuyÕn ®Þa ph-¬ng) so víi mƯt ph¼ng cña xÝch ®¹o tr¸i ®Ít, víi h-íng
phÝa b¾c lµ h-íng d-¬ng.
-23,450 23,450
Gêc lÖch cê thÓ tÝnh to¸n theo ph-¬ng tr×nh cña Cooper:
= 23,45.sin(360 )
trong ®ê n lµ thø tù ngµy cña 1 n¨m .
Quan hÖ gi÷a c¸c lo¹i gêc ®Ưc trng ị trªn cê thÓ biÓu diÔn b»ng ph-¬ng tr×nh gi÷a gêc
tíi vµ c¸c gêc kh¸c nh- sau:
cos = sin.sin. cos - sin.cos. sin.cos + cos.cos.cos.cos +
+ cos.sin.sin.cos.cos + cos.sin.sin.sin
vµ: cos = cosz.cos + sinz.sin.cos(s - )
§ỉi víi bÒ mƯt n»m ngang gêc tíi chÝnh lµ gêc thiªn ®Ønh cña mƯt tríi z, gi¸ trÞ
cña nê ph¶i n»m trong kho¶ng 00 vµ 900 tõ khi mƯt tríi môc ®Õn khi mƯt tríi ị thiªn
®Ønh ( = 0):
cosz = cos.cos.cos + sin.sin
2.2.2. Bøc x¹ mƯt tríi ngoµi khÝ quyÓn lªn mƯt ph¼ng n»m ngang:
T¹i thíi ®iÓm bÍt kú, bøc x¹ mƯt tríi ®Õn mĩt bÒ mƯt n»m ngang ngoµi khÝ quyÓn
®-îc x¸c ®Þnh theo ph-¬ng tr×nh:
Thay gi¸ trÞ cosz vµo ph-¬ng tr×nh trªn ta cê Eo.ng t¹i thíi ®iÓm bÍt kú tõ lóc mƯt tríi
môc ®Õn lóc mƯt tríi lƯn:
TÝch ph©n ph-¬ng tr×nh nµy theo thíi gian tõ khi mƯt tríi môc ®Õn khi mƯt tríi lƯn
(6h ®Õn 18h mƯt tríi) ta sÏ ®îc Eo. ngay lµ n¨ng lîng bøc x¹ mƯt tríi trªn mƯt ph¼ng
n»m ngang trong mĩt ngµy:
víi s lµ gêc gií mƯt tríi lƯn (0) (tøc lµ gêc gií khi z = 900)
Ng-íi ta còng x¸c ®Þnh n¨ng l-îng bøc x¹ ngµy trung b×nh th¸ng Eoth b»ng c¸ch thay gi¸
trÞ n vµ trong c¸c c«ng thøc trªn lÍy b»ng gi¸ trÞ ngµy trung b×nh cña th¸ng vµ ®ĩ
lÖch t¬ng øng.
N¨ng lîng bøc x¹ trªn mƯt ph¼ng n»m ngang trong mĩt gií nhÍt ®Þnh cê thÓ x¸c ®Þnh
khi ph©n tÝch ph-¬ng tr×nh 1.9 trong kho¶ng thíi gian gi÷a c¸c gêc gií 1 vµ 2:
- 2.2.3. Tưng cíng ®ĩ bøc x¹ mƯt tríi lªn bÒ mƯt trªn tr¸i ®Ít
Tưng bøc x¹ mƯt tríi lªn mĩt bÒ mƯt ®Ưt trªn mƯt ®Ít bao gơm hai phÌn chÝnh ®ê lµ
trùc x¹ vµ t¸n x¹. PhÌn trùc x¹ ®• ®ù¬c kh¶o s¸t ị trªn, cßn thµnh phÌn t¸n x¹ th× kh¸ phøc
t¹p. H-íng cña bøc x¹ khuÕch t¸n truyÒn tíi bÒ mƯt lµ hµm sỉ cña ®ĩ m©y vµ ®ĩ trong
suỉt cña khÝ quyÓn, c¸c ®¹i l-îng nµy l¹i thay ®ưi kh¸ nhiÒu. Cê thÓ xem bøc x¹ t¸n x¹
lµ tưng hîp cña 3 thµnh phÌn (h×nh 2.6).
- Thµnh phÌn t¸n x¹ ®¼ng h-íng: phÌn t¸n x¹ nhỊn ®îc ®ơng ®Òu tõ toµn bĩ vßm tríi.
- Thµnh phÌn t¸n x¹ quanh tia: phÌn t¸n x¹ bÞ ph¸t t¸n cña bøc x¹ mƯt tríi xung
quanh tia mƯt tríi.
- Thµnh phÌn t¸n x¹ ch©n tríi: phÌn t¸n x¹ tỊp trung gÌn ®-íng ch©n tríi.
Gêc khuÕch t¸n ị møc ®ĩ nhÍt ®Þnh phô thuĩc ®ĩ ph¶n x¹ Rg (cßn gôi lµ albedo -suÍt
ph©n chiÕu) cña mƯt ®Ít. Nh÷ng bÒ mƯt cê ®ĩ ph¶n x¹ cao (vÝ dô bÒ mƯt tuyÕt xỉp
cê Rg = 0,7) sÏ ph¶n x¹ m¹nh bøc x¹ mƯt tríi trị l¹i bÌu tríi vµ lÌn l-ît bÞ ph¸t t¸n trị thµnh
thµnh phÌn t¸n x¹ ch©n tríi.
Nh- vỊy bøc x¹ mƯt tríi truyÒn ®Õn mĩt bÒ mƯt nghiªng lµ tưng cña c¸c dßng bøc x¹
bao gơm: trùc x¹ Eb, 3 thµnh phÌn t¸n x¹ Ed1, Ed2, Ed3 vµ bøc x¹ ph¶n x¹ tõ c¸c bÒ mƯt
kh¸c l©n cỊn Er:
E = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er
Tuy nhiªn viÖc tÝnh to¸n c¸c ®¹i l-îng t¸n x¹ nµy rÍt phøc t¹p. V× vỊy ngíi ta gi¶ thiÕt lµ
sù kÕt hîp cña bøc x¹ khuÕch t¸n vµ bøc x¹ ph¶n x¹ cña mƯt ®Ít lµ ®¼ng híng, nghÜa
lµ tưng cña bøc x¹ khuÕch t¸n tõ bÌu tríi vµ bøc x¹ ph¶n x¹ cña mƯt ®Ít lµ nh- nhau
trong môi tr-íng hîp kh«ng phô thuĩc híng cña bÒ mƯt. Nh vỊy tưng x¹ trªn bÒ mƯt
nghiªng sÏ lµ tưng cña trùc x¹ Eb.Bb vµ t¸n x¹ trªn mƯt n»m ngang Ed.
Khi ®ê mĩt bÒ mƯt nghiªng t¹o mĩt gêc so víi ph¬ng n»m ngang sÏ cê tưng x¹ b»ng
tưng cña 3 thµnh phÌn:
Trong ®ê : E lµ tưng x¹ trªn bÒ mƯt n»m ngang,
(1 + cos)/2 = Fcs lµ hÖ sỉ gêc cña bÒ mƯt ®ỉi víi bÌu tríi
(1 - cos)/2 = Fcg lµ hÖ sỉ gêc cña bÒ mƯt ®ỉi víi mƯt ®Ít
Rg lµ hÖ sỉ ph¶n x¹ bøc x¹ cña m«i tr-íng xung quanh.
Vµ ta cê tû sỉ bøc x¹ Bb cña bÒ mƯt nghiªng gêc so víi bÒ mƯt ngang:
En lµ c-íng ®ĩ bøc x¹ mƯt tríi tíi theo ph¬ng bÍt kú,
Ebng lµ bøc x¹ mƯt tríi theo ph¬ng vu«ng gêc víi mƯt n»m ngang,
Ebngh lµ bøc x¹ mƯt tríi theo ph¬ng vu«ng gêc víi mƯt ph¼ng nghiªng,
cos vµ cosz ®îc x¸c ®Þnh bịi c¸c ph¬ng tr×nh trªn vµ c¸c gêc ®-îc biÓu diÔn trªn
h×nh 2.8.
- Trong tính toán kỹ thuật, có thể coi cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời gian ,
tính từ lúc mặt trời mọc, = 0 đến khi mặt trời lặn =n/2, với n¬=24h = 24.3600s
như sau: E() = En.sin()
() = . là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất,
là tốc độ góc tự xoay của trái đất,
En[W/m2] là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy trị trung bình cả năm theo theo số
liệu số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ cần xét.
2.3. Bøc x¹ mƯt tríi truyÒn qua kÝnh
§ĩ hÍp thô, truyÒn qua vµ ph¶n x¹ cña vỊt liÖu lµ hµm sỉ cña bøc x¹ truyÒn tíi, ®ĩ
dµy vµ chØ sỉ khóc x¹ cña líp vỊt liÖu ®ê. HÌu hÕt c¸c bĩ thu NLMT ®Òu sö dông kÝnh
lµm vỊt liÖu che phñ bÒ mƯt bĩ thu v× tÝnh chÍt quang hôc u viÖt cña nê.
2.3.1. HiÖu øng lơng kÝnh
Hiệu ứng lồìng kính là hiện tượng tích luỹ năng lượng bức xạ của mặt trời phía dưới một
tấm kính hoặc một lớp khí nào đó, ví dụ CO2 hoặc NOx. Giải thích hiệu ứng lồng kính
như sau: Tấm kính hoặc lớp khí có độ trong đơn sắc D giảm dần khi bước sóng tăng.
Còn bước sóng mkhi E cực đại, là bước sóng mang nhiều năng lượng nhất, thì lại
giảm theo định luật Wien = 2,9.10-3/T.
Bức xạ mặt trời, phát ra từ nhiệt độ cao T0¬ = 5762K, có năng lượng tập trung
quanh sóng m0 = 0,5m, sẽ xuyên qua kính hoàn toàn, vì D(m0) 1. Bức xạ thứ
cấp, phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T 400K, có năng lượng tập trung quanh
sóng m = 8m, hầu như không xuyên qua kính, vì D(¬m) 0, và bị phản xạ lại mặt
thu. Hiệu số năng lượng (vào - ra) > 0, được tích luỹ phía dưới tấm kính, làm nhiệt độ tại
đó tăng lên.
2.3.2. Sù ph¶n x¹ cña bøc x¹ mƯt tríi
§ỉi víi c¸c bÒ mƯt nh½n, biÓu thøc Fresnel cña ®ĩ ph¶n x¹ bøc x¹ qua m«i tr-íng
thø nhÍt cê ®ĩ khóc x¹ (chiÕt suÍt) n1 ®Õn m«i tr-íng thø 2 cê chiÕt suÍt n2 lµ:
®ỉi víi thµnh phÌn vu«ng gêc.
r// = ®ỉi víi thµnh phÌn song song cña bøc x¹ .
r= = lµ ®ĩ ph¶n x¹ trung b×nh cña hai thµnh phÌn song song vµ vu«ng
gêc.
Ei, Er, t-¬ng øng lµ c-íng ®ĩ bøc x¹ tíi, c-íng ®ĩ bøc x¹ ph¶n x¹.
C¸c gêc 1 vµ 2 lµ gêc tíi vµ gêc khóc x¹ (h×nh 2.10) cê quan hÖ víi ®ĩ khóc x¹ n theo
®Þnh luỊt Snell:
Nh- vỊy nÕu biÕt c¸c ®¹i l-îng gêc 1, 2, vµ chiÕt suÍt c¸c m«i tr-íng n1, n2 ta cê thÓ
x¸c ®Þnh ®-îc ®ĩ ph¶n x¹ r cña bÒ mƯt. §ỉi víi tia bøc x¹ tíi vu«ng gêc
1, 2 = 0 vµ c¸c ph¬ng tr×nh trªn cê thÓ kÕt hîp:
NÕu mĩt m«i tríng lµ kh«ng khÝ (chiÕt suÍt n2 1) th×:
§ỉi víi c¸c lo¹i bĩ thu NLMT, thíng sö dông kÝnh hoƯc vỊt liÖu mµng mâng trong suỉt
phñ trªn bÒ mƯt hÍp thô nhiÖt bøc x¹, v× vỊy lu«n cê 2 bÒ mƯt ng¨n c¸ch cña mìi líp vỊt
liÖu phñ g©y ra tưn thÍt ph¶n x¹. NÕu bâ qua nhiÖt l-îng hÍp thô cña líp vỊt liÖu nµy vµ
- xÐt t¹i thíi ®iÓm mµ chØ cê thµnh phÌn vu«ng gêc cña bøc x¹ tíi (h×nh 2.11), th× ®¹i
l-îng (1 - r ) cña tia bøc x¹ tíi sÏ tíi ®-îc bÒ mƯt thø 2, trong ®ê (1 - r )2 ®i qua bÒ
mƯt ph©n c¸ch vµ r (1 - r ) bÞ ph¶n x¹ trị l¹i bÒ mƯt ph©n c¸ch thø nhÍt v.v...Cĩng
tÍt c¶ c¸c thµnh phÌn ®-îc truyÒn qua th× hÖ sỉ truyÒn qua cña thµnh phÌn vu«ng gêc:
§ỉi víi thµnh phÌn song song còng cê kÕt qu¶ t-¬ng tù vµ hÖ sỉ truyÒn qua trung b×nh
cña c¶ hai thµnh phÌn:
NÕu bĩ thu cê N líp vỊt liÖu phñ trong suỉt nh nhau th×:
2.3.3. Tưn thÍt do hÍp thô bøc x¹ cña kÝnh
Sù hÍp thô bøc x¹ trong vỊt liÖu kh«ng trong suỉt ®îc x¸c ®Þnh bịi ®Þnh luỊt Bougure
dùa trªn gi¶ thiÕt lµ bøc x¹ bÞ hÍp thô tû lÖ víi c-íng ®ĩ bøc x¹ qua vỊt liÖu vµ kho¶ng
c¸ch x mµ bøc x¹ ®i qua: dE = - EKdx víi K lµ h»ng sỉ tû lÖ. LÍy tÝch ph©n dôc
theo ®-íng ®i cña tia bøc x¹ trong vỊt liÖu tõ 0 ®Õn /cos2 (víi lµ chiÒu dµy cña
líp vỊt liÖu) ta cê hÖ sỉ truyÒn qua cña vỊt liÖu khi cê hÍp thô bøc x¹:
Da = = exp
Trong ®ê, Ed lµ c-íng ®ĩ bøc x¹ truyÒn qua líp vỊt liÖu.
§ỉi víi kÝnh: K cê trÞ sỉ xÍp xØ 4m-1 ®ỉi víi lo¹i kÝnh cê c¹nh mµu tr¾ng b¹c vµ xÍp xØ
32m-1 ®ỉi víi lo¹i kÝnh cê c¹nh mµu xanh lôc.
2.3.4. HÖ sỉ truyÒn qua vµ hÖ sỉ ph¶n x¹ cña kÝnh
HÖ sỉ truyÒn qua, hÖ sỉ ph¶n x¹ vµ hÖ sỉ hÍp thô cña mĩt líp vỊt liÖu cê thÓ ®-îc x¸c
®Þnh nh- sau :
§ỉi víi thµnh phÌn vu«ng gêc cña bøc x¹:
Thµnh phÌn song song cña bøc x¹ còng ®-îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c biÓu thøc t-¬ng tù. §ỉi
víi bøc x¹ tíi kh«ng ph©n cùc, c¸c tÝnh chÍt quang hôc ®-îc x¸c ®Þnh b»ng trung b×nh
cĩng cña hai thµnh phÌn nµy.
§ỉi víi c¸c bĩ thu NLMT thùc tÕ, Da th-íng lín h¬n 0,9 vµ r 0,1. V× vỊy tõ ph-¬ng
tr×nh trªn ta cê gi¸ trÞ D 1 (t¬ng tù D// 1).
2.3.5. HÖ sỉ truyÒn qua ®ỉi víi bøc x¹ khuÕch t¸n
Do bøc x¹ khuÕch t¸n lµ v« h-íng nªn vÒ nguyªn t¾c l-îng bøc x¹ nµy truyÒn qua
kÝnh cê thÓ ®-îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch tÝch ph©n dßng bøc x¹ theo tÍt c¶ c¸c gêc tíi. Tuy
nhiªn do sù ph©n bỉ gêc cña bøc x¹ khuÕch t¸n nêi chung kh«ng thÓ x¸c ®Þnh ®ù¬c nªn
khê x¸c ®Þnh biÓu thøc tÝch ph©n nµy. NÕu bøc x¹ khuÕch t¸n ®Õn kh«ng phô thuĩc
gêc tíi th× cê thÓ tÝnh to¸n ®¬n gi¶n hêa b»ng c¸ch ®Þnh nghÜa mĩt gêc t-¬ng ®-¬ng
®ỉi víi bøc x¹ cê cïng hÖ sỉ truyÒn qua nh- t¸n x¹. §ỉi víi mĩt kho¶ng kh¸ rĩng c¸c ®iÒu
kiÖn tÝnh to¸n th× gêc t-¬ng ®-¬ng nµy lµ 600. Nêi c¸ch kh¸c, trùc x¹ víi gêc tíi 600 cê
cïng hÖ sỉ truyÒn qua nh- bøc x¹ khuÕch t¸n ®¼ng h-íng.
H×nh 2.12 lµ quan hÖ gi÷a gêc tíi hiÖu qu¶ cña bøc x¹ t¸n x¹ ®¼ng h-íng vµ bøc
x¹ ph¶n x¹ tõ mƯt ®Ít víi c¸c gêc nghiªng kh¸c nhau cña bĩ thu. Cê thÓ x¸c ®Þnh gÌn
®óng quan hÖ nµy b»ng biÓu thøc to¸n hôc sau:
- §ỉi víi bøc x¹ ph¶n x¹ tõ mƯt ®Ít:
- hq = 90 - 0,5788 + 0,0026932
- §ỉi víi bøc x¹ khuÕch t¸n:
hq = 59,7 - 0,1388 + 0,0014972
2.3.6. TÝch sỉ cña hÖ sỉ truyÒn qua vµ hÖ sỉ hÍp thô (DA)
TÝch sỉ DA cña hÖ sỉ truyÒn qua vµ hÖ sỉ hÍp thô ®îc xem nh ký hiÖu biÓu
diÔn tÝnh chÍt cña mĩt tư hîp bĩ thu vµ kÝnh (DA). Trong sỉ bøc x¹ xuyªn qua kÝnh vµ
tíi bÒ mƯt bĩ thu, mĩt phÌn l¹i bÞ ph¶n x¹ trị l¹i hÖ thỉng kÝnh. Tuy nhiªn, kh«ng ph¶i tÍt
c¶ l-îng bøc x¹ nµy bÞ mÍt ®i mµ mĩt phÌn lín trong sỉ ®ê l¹i ®-îc ph¶n x¹ trị l¹i bĩ thu nhí
hiÖu øng lơng kÝnh (nh- biÓu diÔn trong h×nh 2.13), trong ®ê D lµ hÖ sỉ truyÒn qua
cña hÖ thỉng kÝnh vµ A lµ hÖ sỉ hÍp thô cña bÒ mƯt bĩ thu.
Nh- vỊy trong sỉ n¨ng lîng tíi, DA lµ phÌn sÏ ®-îc bĩ thu hÍp thô, cßn
(1-A)D lµ phÌn bÞ ph¶n x¹ trị l¹i hÖ thỉng kÝnh che. Sù ph¶n x¹ nµy ®-îc gi¶ thiÕt lµ
khuÕch t¸n vµ nh- vỊy phÌn n¨ng l-îng (1- A)D tíi tÍm phñ lµ bøc x¹ khuÕch t¸n vµ (1-
A).D.Rd lµ phÌn ®-îc ph¶n x¹ trị l¹i bÒ mƯt bĩ thu. §¹i l-îng Rd lµ hÖ sỉ ph¶n x¹ cña hÖ
thỉng kÝnh ®ỉi víi bøc x¹ khuÕch t¸n tõ bÒ mƯt bĩ thu vµ cê thÓ x¸c ®Þnh tõ ph-¬ng
tr×nh Rd = Da (1-Dr) = Da - D nh- ®ĩ chªnh lÖch gi÷a Da vµ D ị gêc tíi 600. NÕu hÖ
thỉng kÝnh gơm 2 líp (hay nhiÒu líp) th× Rd sÏ h¬i kh¸c so víi ®ĩ ph¶n x¹ khuÕch t¸n
cña bøc x¹ tíi. Sù ph¶n x¹ nhiÒu lÌn ®ỉi víi bøc x¹ khuÕch t¸n sÏ tiÕp tôc ®Ó cho phÌn
n¨ng l-îng tíi ®-îc hÍp thô cê trÞ sỉ:
Nêi kh¸c ®i, sÏ cê (DA) phÌn n¨ng l-îng bøc x¹ truyÒn tíi ®-îc bÒ mƯt hÍp thô bĩ thu.
Trong thùc tÕ A kh¸ lín vµ Rd kh¸ nhâ nªn mĩt c¸ch gÌn ®óng ng-íi ta th-íng x¸c ®Þnh:
(DA) = 1,01 . D . A
Do D vµ A phô thuĩc gêc tíi nªn ®-¬ng nhiªn tÝch sỉ (DA) còng phô thuĩc gêc tíi .
§Ó x¸c ®Þnh quan hÖ gi÷a (DA) vµ cê thÓ sö dông ®ơ thÞ ị h×nh 2.14, trong ®ê
(DA)n¬ lµ tÝch sỉ (DA) øng víi tr-íng hîp tia tíi vu«ng gêc víi bÒ mƯt bĩ thu ( = 0).
2.3.7. Tưng bøc x¹ mƯt tríi hÍp thô ®-îc cña bĩ thu
N¨ng lîng bøc x¹ mƯt tríi ®îc bĩ thu hÍp thô gơm 3 thµnh phÌn chÝnh: trùc x¹, t¸n x¹,
ph¶n x¹ cña mƯt ®Ít. Víi bĩ thu ®Ưt nghiªng mĩt gêc ta cê tưng bøc x¹ mƯt tríi hÍp thô
cña bĩ thu nh sau:
Eb, Ed lµ c-íng ®ĩ bøc x¹ trùc x¹ vµ t¸n x¹,
Bb lµ tû sỉ gi÷a bøc x¹ trùc x¹ lªn mƯt ph¼ng nghiªng vµ lªn mƯt ph¼ng n»m ngang,
(1+cos)/2 vµ (1-cos)/2 lµ hÖ sỉ gêc cña bĩ thu ®ỉi víi t¬ng øng bÌu tríi vµ mƯt ®Ít,
(DA)b, (DA)d, (DA)g lµ tÝch sỉ hÖ sỉ truyÒn qua vµ hÖ sỉ hÍp thô t¬ng øng ®ỉi víi trùc
x¹, t¸n x¹ vµ ph¶n x¹ tõ mƯt ®Ít.
2.4. C©n b»ng nhiÖt vµ nhiÖt ®ĩ c©n b»ng cña vỊt thu bøc x¹ mƯt tríi
Nhiệt độ cân bằng của vật thu bức xạ mặt trời là nhiệt độ ổn định trên bề mặt vật, khi
có sự cân bằng giữa công suất bức xạ vật hấp thụ được và công suất nhiệt phát từ vật ra
môi trường.
- Nhiệt độ cân bằng chính là nhiệt độ lớn nhất mà vật có thể đạt tới sau thời gian thu bức
xạ mặt trời đã lâu, khi U của vật = 0.
Nhiệt độ cân bằng của vật thu bức xạ mặt trời là nhiệt độ ổn định trên bề mặt vật, khi
có sự cân bằng giữa công suất bức xạ vật hấp thụ dược và công suất nhiệt phát từ vật ra
môi trường.
Ta sẽ lập công thức tính nhiệt độ cân bằng T của vật V có diện tích xung quanh F, hệ
số hấp thụ A, hệ số bức xạ đặt trong chân không cách mặt trời một khoảng r có diện
tích hứng nắng Ft, là hình chiếu của F lên mặt phẳng vuông góc tia nắng, hay chính là
diện tích “cái bóng” của V. Phương trình cân bằng nhiệt cho V có dạng:
Công suất do V hấp thụ = Công suất phát bức xạ từ V.
Hay: A.Et.Ft = E.F A.0.T04(D/2r)2.Ft = .0.T04 F . Suy ra:
T(r, Ft, F, A, ) = , [K]
Nếu V là vật xám, có A = , thì T(r, Ft, F) = , [K]
Nếu V là vật xám hình cầu, có Ft/F=1/4, thì T(r) = , [K]
Nếu vật V có thông số (, C, , A, F, V) đặt trong khí quyển nhiệt độ tf, toả nhiệt
phức hợp hệ số , thì phương trình cân bằng nhiệt trong thời gian d cho V la ì:
QA = dU + Q hay A.En.sin(.).Ft().d = .V.C.dt + .F.(t - tf) .d
có dạng
Khi biết luật thay đổi diện tích thu năng Ft(), có thể giải phương trình vi phân
với điều kiện đầu t( = 0) = tf để tìm hàm biến đổi t() của nhiệt độ vật theo thời gian.
2.5. §o c-íng ®ĩ bøc x¹ mƯt tríi.
Ngoµi ph-¬ng ph¸p x¸c ®Þnh c-íng ®ĩ bøc x¹ mƯt tríi t¹i mĩt ®iÓm bÍt kú dùa trªn vÞ
trÝ ®Þa lý (®ĩ cao mƯt tríi tríi) nh trªn, trong thùc tÕ ng-íi ta ®• chÕ t¹o c¸c dông cô
®o c-íng ®ĩ bøc x¹ mƯt tríi (pyrheliometer, actinometer - ®o bøc trùc x¹, vµ
pyranometer, Solarimeter- ®o tưng x¹ ).
nguon tai.lieu . vn
