Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng

ỹt haỷt mang õióỷn dổồng laỡ proton. Thọng thổồỡng nhổợng haỷt mang õióỷn cuỡng dỏỳu õỏứy nhau, nhổng ồớ nhióỷt õọỹ õuớ cao chuyóứn õọỹng cuớa chuùng seợ nhanh tồùi mổùc chuùng coù thóứ tióỳn gỏửn tồùi nhau ồớ mọỹt khoaớng caùch maỡ ồớ õoù coù thóứ kóỳt hồỹp vồùi nhau dổồùi taùc duỷng cuớa caùc lổỷc huùt. Khi õoù cổù 4 haỷt nhỏn Hyõrọ laỷi taỷo ra mọỹt haỷt nhỏn Hóli, 2 neutrino vaỡ mọỹt lổồỹng bổùc xaỷ γ. 4H11 → He24 + 2 Neutrino + γ Neutrino laỡ haỷt khọng mang õióỷn, rỏỳt bóửn vaỡ coù khaớ nàng õỏm xuyón rỏỳt lồùn. Sau phaớn ổùng caùc Neutrino lỏỷp tổùc rồỡi khoới phaỷm vi màỷt trồỡi vaỡ khọng tham gia vaỡo caùc “bióỳn cọỳ” sau õoù. Hỗnh 1.5. Cỏỳu truùc cuớa màỷt trồỡi. 10 Trong quaù trỗnh dióựn bióỳn cuớa phaớn ổùng coù mọỹt lổồỹng vỏỷt chỏỳt cuớa màỷt trồỡi bở mỏỳt õi. Khọỳi lổồỹng cuớa màỷt trồỡi do õoù mọựi giỏy giaớm chổỡng 4.106 tỏỳn, tuy nhión theo caùc nhaỡ nghión cổùu, traỷng thaùi cuớa màỷt trồỡi vỏựn khọng thay õọứi trong thồỡi gian haỡng tyớ nàm nổợa. Mọựi ngaỡy màỷt trồỡi saớn xuỏỳt mọỹt nguọửn nàng lổồỹng qua phaớn ổùng nhióỷt haỷch lón õóỳn 9.1024kWh (tổùc laỡ chổa õỏửy mọỹt phỏửn trióỷu giỏy màỷt trồỡi õaợ giaới phoùng ra mọỹt lổồỹng nàng lổồỹng tổồng õổồng vồùi tọứng sọỳ õióỷn nàng saớn xuỏỳt trong mọỹt nàm trón traùi õỏỳt). 1.3. Caùc phaớn ổùng haỷt nhỏn vaỡ sổỷ tióỳn hoùa cuớa màỷt trồỡi 1.3.1. Phỏn bọỳ nhióỷt õọỹ vaỡ aùp suỏỳt trong màỷt trồỡi Dổồùi taùc duỷng cuớa lổỷc hỏỳp dỏựn, hổồùng vóử tỏm khọỳi khờ hỗnh cỏửu cuớa màỷt trồỡi, aùp suỏỳt, nhióỷt õọỹ vaỡ mỏỷt õọỹ khờ quyóứn seợ tàng dỏửn. Âóứ tỗm caùc haỡm phỏn bọỳ nhióỷt õọỹ T(r), aùp suỏỳt p(r) vaỡ khọỳi lổồỹng rióng ρ(r) taỷi baùn kờnh r, ta seợ xeùt mọỹt phỏn tọỳ hỗnh truỷ dV=S.dr khờ Hydro cuớa màỷt trồỡi, thoớa maợn caùc giaớ thióỳt sau: (1) Laỡ khờ lyù tổồớng, nón coù quan hóỷ pv=RT. (2) Laỡ õổùng yón, nón coù cỏn bàũng giổợa troỹng lổỷc vaỡ caùc aùp lổỷc lón 2 õaùy : p.S - (p + dp).S - gρSdr =0 (3) Laỡ õoaỷn nhióỷt, nón theo õởnh luỏỷt nhióỷt õọỹng 1, coù: δq = CpdT - vdp = 0 Theo (3) coù pC v dp dT = , theo (2) coù g dr dp .ρ−= , do õoù coù Cp g Cp gv dr dp dp dT dr dT −=−== ρ. Suy ra ∫∫ −= rT To dr Cp gdT 0 hay T(r) = T0 - rCp g Vaỡ tổỡ RT gp v gg dr dp −=−=−= ρ bàũng caùch lỏỳy tờch phỏn: dr RT g p p p dp rp p ∫∫ −== 00 ln 0 = ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ −= − − =− ∫ )1ln( 00 0 r CpT g R Cp r Cp gT dr R g constTcoikhi RT gr r Hỗnh 1.6 - Âóứ tỗm T(r),p(r) r T O ρgSdr Topovo p S p+dp dr 11 Tổỡ õoù suy ra: ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − ==⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − = r Cp gTTcoiKhi CpT grp constTTcoiKhi RT grp rp R Cp 0 0 0 0 0 0 1 exp )( Phỏn bọỳ khọỳi lổồỹng rióng ρ(r) seợ coù daỷng: ρ(r) = R Cv CpT gr RT p rRT rp ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= 00 0 1 )( )( Nhióỷt õọỹ T0 taỷi tỏm màỷt trồỡi coù thóứ tờnh theo nhióỷt õọỹ bóử màỷt: T(r = 2 D = 7.108m) = 5762K Gia tọỳc troỹng lổỷc: g = G ( ) 228 30 11 2 /27410.7 10.210.673,6 sm r M == − Nhióỷt dung rióng cuớa hydro Cp= kgKJRi /14550 2 8314. 2 7 2 2 ==+ à à , Nhióỷt õọỹ tỏm màỷt trồỡi coù thóứ xaùc õởnh theo cọng thổùc: Kr Cp grTT 60 10.2,13)( =+= Hỗnh 1.7. Phỏn bọỳ T(r), p(r) vaỡ khọỳi lổồỹng rióng ρ(r) 1.3.2. Caùc phaớn ổùng haỷt nhỏn trong màỷt trồỡi 1.3.2.1. Phaớn ổùng tọứng hồỹp haỷt nhỏn Hóli Trong quaù trỗnh hỗnh thaỡnh, nhióỷt õọỹ bón trong màỷt trồỡiseợ tàng dỏửn. Khi vuỡng tỏm màỷt trồỡi õaỷt nhióỷt õọỹ T≥ 107K, thỗ coù õuớ õióửu kióỷn õóứ xaớy ra phaớn ổùng tọứng hồỹp Hóli tổỡ Hydrọ, theo phổồng trỗnh : 4H1 → He4 + q. Âỏy laỡ phaớn ổùng sinh nhióỷt q = ∆m.c2, trong õoù c = 3.108m/s laỡ vỏỷn tọỳc aùnh saùng trong chỏn khọng, ∆m = (4mH - mHe) laỡ khọỳi lổồỹng bở huỷt, K T 13,200 5,76 10,000 1,7 7 r 10 m Gbar p 0 0 250 r r 0 Tg/m³ ρ 2,1 8 12 õổồỹc bióỳn thaỡnh nàng lổồỹng theo phổồng trỗnh Einstein. Mọựi 1kg haỷt nhỏn H1 chuyóứn thaỡnh He4 thỗ bở huỷt mọỹt khọỳi lổồỹng ∆m = 0,01kg, vaỡ giaới phoùng ra nàng lổồỹng: q = ∆m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J Lổồỹng nhióỷt sinh ra seợ laỡm tàng aùp suỏỳt khọỳi khờ, khióỳn màỷt trồỡi phaùt ra aùnh saùng vaỡ bổùc xaỷ, vaỡ nồớ ra cho õóỳn khi cỏn bàũng vồùi lổỷc hỏỳp dỏựn. Mọựi giỏy màỷt trồỡi tióu huớy hồn 420 trióỷu tỏỳn hydro, giaớm khọỳi lổồỹng ∆m = 4,2 trióỷu tỏỳn vaỡ phaùt ra nàng lổồỹng Q = 3,8.1026W. Muọỳn õaỷt nhióỷt õọỹ taỷi tỏm õuớ cao õóứ thaỡnh mọỹt ngọi sao, thión thóứ cỏửn coù khọỳi lổồỹng M ≥ 0,08M0, vồùi M0 = 2.1030kg laỡ khọỳi lổồỹng màỷt trồỡi. Thồỡi gian xaớy ra phaớn ổùng tọứng hồỹp Heli nàũm trong khoaớng (108ữ1010)nàm, giaớm dỏửn khi khọỳi lổồỹng ngọi sao tàng. Khi khọỳi lổồỹng sao caỡng lồùn nhióỷt õọỹ vaỡ aùp suỏỳt cuớa phaớn ổùng õuớ cỏn bàũng lổỷc hỏỳp dỏựn caỡng lồùn, khióỳn tọỳc õọỹ phaớn ổùng tàng, thồỡi gian chaùy Hydro giaớm. Giai õoaỷn õọỳt Hydro cuớa màỷt trồỡi õổồỹc khồới õọỹng caùch õỏy 4,5 tyớ nàm, vaỡ coỡn tióỳp tuỷc trong khoaớng 5,5 tyớ nàm nổợa. 1.3.2.2. Phaớn ổùng tọứng hồỹp Caùcbon vaỡ caùc nguyón tọỳ khaùc Khi nhión lióỷu H2 duỡng sàừp hóỳt, phaớn ổùng tọứng hồỹp He seợ yóỳu dỏửn, aùp lổỷc bổùc xaỷ bón trong khọng õuớ maỷnh õóứ cỏn bàũng lổỷc neùn do hỏỳp dỏựn, khióỳn thóứ tờch co laỷi. Khi co laỷi, khờ He bón trong bở neùn nón nhióỷt õọỹ tàng dỏửn, cho õóỳn khi õaỷt tồùi nhióỷt õọỹ 108K, seợ xaớy ra phaớn ổùng tọứng hồỹp nhỏn Cacbon tổỡ He : 3He4 → C12 + q Phaớn ổùng naỡy xaớy ra ồớ nhióỷt õọỹ cao, tọỳc õọỹ lồùn, nón thồỡi gian chaùy He chố bàũng1/30 thồỡi gian chaùy H2 khoaớng 300 trióỷu nàm. Nhióỷt sinh ra trong phaớn ổùng laỡm tàng aùp suỏỳt bổùc xaỷ, khióỳn ngọi sao nồớ ra haỡng tràm lỏửn so vồùi trổồùc. Luùc naỡy màỷt ngoaỡi sao nhióỷt õọỹ khoaớng 4000K, coù maỡu õoớ, nón goỹi laỡ sao õoớ khọứng lọử. Vaỡo thồỡi õióứm laỡ sao õoớ khọứng lọử, màỷt trồỡi seợ nuọỳt chổớng sao Thuớy vaỡ sao Kim, nung traùi õỏỳt õóỳn 1500K thaỡnh 1 haỡnh tinh noùng chaớy, kóỳt thuùc sổỷ sọỳng taỷi õỏy. Kóỳt thuùc quaù trỗnh chaùy Heli, aùp lổỷc trong sao giaớm, lổỷc hỏỳp dỏựn eùp sao co laỷi, laỡm mỏỷt õọỹ vaỡ nhióỷt õọỹ tàng lón, õóỳn T= 5.106K seợ xaớy ra phaớn ổùng taỷo Oxy: 4C12→ 3O16 + q Quaù trỗnh chaùy xaớy ra nhổ trón, vồùi tọỳc õọỹ tàng dỏửn vaỡ thồỡi gian ngàừn dỏửn. Chu trỗnh chaùy - tàừt - neùn - chaùy õổồỹc tàng tọỳc, lión tióỳp thổỷc hióỷn caùc phaớn ổùng taỷo nguyón tọỳ mồùi O16 -> Ne20 -> Na22 -> Mg24 -> Al26 - > Si28 -> P30 -> S32 ->... -> Cr52 -> Mn54 -> Fe56 13 Caùc phaớn ổùng trón õaợ taỷo ra hồn 20 nguyón tọỳ, tỏỷn cuỡng laỡ sàừt Fe56 (gọửm 26 proton vaỡ 30 netron), toaỡn bọỹ quaù trỗnh õổồỹc tàng tọỳc, xaớy ra chố trong vaỡi trióỷu nàm. Sau khi taỷo ra sàừt Fe56, chuọựi phaớn ổùng haỷt nhỏn trong ngọi sao kóỳt thuùc, vỗ vióỷc tọứng hồỹp sàừt thaỡnh nguyón tọỳ nàỷng hồn khọng coù õọỹỹ huỷt khọỳi lổồỹng, khọng phaùt sinh nàng lổồỹng, maỡ cỏửn phaới cỏỳp thóm nàng lổồỹng. 1.3.3. Sổỷ tióỳn hoùa cuaớ màỷt trồỡi Sau khi taỷo ra sàừt, caùc phaớn ổùng haỷt nhỏn sinh nhióỷt tàừt hàún, lổỷc hỏỳp dỏựn tióỳp tuỷc neùn màỷt trồỡi cho õóỳn “chóỳt”. Quaù trỗnh hoaù thỏn cuớa màỷt trồỡi phuỷ thuọỹc cổồỡng õọỹ lổỷc hỏỳp dỏựn, tổùc laỡ tuyỡ thuọỹc vaỡo khọỳi lổồỹng cuớa noù, theo mọỹt trong ba kởch baớn nhổ sau: 1- Caùc sao coù khọỳi lổồỹng M∈ (0,7 ữ 1,4)M0: Sau khi hóỳt nhión lióỷu, tổỡ mọỹt sao õoớ khọứng lọử õổồỡng kờnh 100.106 km co laỷi thaỡnh sao luỡn tràừng õổồỡng kờnh cồợ 1500 km, laỡ traỷng thaùi dổỡng khi lổỷc hỏỳp dỏựn cỏn bàũng vồùi aùp lổỷc taỷo ra khi caùc nguyón tổớ õaợ eùp saùt laỷi nhau, coù khọỳi lổồỹng rióng cồợ 1012 kg/m3. Nhióỷt sinh ra khi neùn laỡm nhióỷt õọỹ bóử màỷt sao õaỷt tồùi 6000K, sau õoù toớa nhióỷt vaỡ nguọỹi dỏửn trong mọỹt tố nàm thaỡnh sao luỡn õen hay sao sàừt, nhổ mọỹt xaùc sao khọng thỏỳy õổồỹc lang thang trong vuợ truỷ. Màỷt trồỡi hoaù kióỳp theo kióứu naỡy. 2- Caùc sao coù khọỳi lổồỹng M ∈ (1,4 ữ5)M0: Lổỷc hỏỳp dỏựn õuớ maỷnh õóứ eùp naùt nguyón tổớ, eùp caùc haỷt nhỏn laỷi saùt nhau, laỡm troùc hóỳt lồùp voớ õióỷn tổớ, taỷo ra mọỹt khọỳi gọửm toaỡn neutron eùp saùt nhau vaỡ goỹi laỡ sao neutron, coù õổồỡng kờnh cồợ 15 km vaỡ mỏỷt õọỹ 1018kg/m3. Quaù trỗnh co laỷi vồùi gia tọỳc lồùn vaỡ bở chàỷn õọỹt ngọỹt taỷi traỷng thaùi neutron, taỷo ra mọỹt chỏỳn õọỹng dổợ dọỹi, gỏy ra vuỷ nọứ sióu sao mồùi, goỹi laỡ supernova, phaùt ra nàng lổồỹng bàũng tràm trióỷu lỏửn nàng lổồỹng màỷt trồỡi, laỡm bàừn tung toaỡn bọỹ caùc lồùp ngoaỡi cuớa sao gọửm õuớ caùc loaỷi nguyón tọỳ. Lồùp vỏỷt lióỷu bàừn ra seợ taỷo thaỡnh caùc õaùm buỷi vuợ truỷ thổù cỏỳp, õóứ hỗnh thaỡnh caùc sao thổù cỏỳp sau õoù. Sao neutron mồùi taỷo ra, coỡn goỹi laỡ pulsar, seợ tổỷ quay vồùi tọỳc õọỹ khoaớng 630 voỡng/s vaỡ phaùt bổùc xaỷ rỏỳt maỷnh doỹc truỷc, phaùt taùn hóỳt nàng lổồỹng sau vaỡi trióỷu nàm vaỡ seợ hóỳt quay, trồớ thaỡnh mọỹt xaùc chóỳt trong vuợ truỷ. 3- Caùc sao coù khọỳi lổồỹng M≥ 5M0: Quaù trỗnh tọứng hồỹp caùc haỷt nhỏn nàỷng õổồỹc gia tọỳc, xaớy ra rỏỳt nhanh. Sau khi hóỳt nhión lióỷu, do lổỷc hỏỳp dỏựn quaù lồùn, sao suỷp õọứ vồùi gia tọỳc lồùn, co laỷi lión tuỷc, khọng dổỡng laỷi ồớ traỷng thaùi neutron, õaỷt tồùi baùn kờnh Schwarzschild R = 2 2 C GM , taỷo thaỡnh mọỹt lọự õen, keỡm theo mọỹt vuỷ nọứ 14 sióu sao mồùi. Lọự õen coù khọỳi lổồỹng rióng khoaớng 1023 kg/m3, taỷo ra trổồỡng hỏỳp dỏựn rỏỳt maỷnh, laỡm cong khọng gian xung quanh tồùi mổùc vỏỷt chỏỳt kóứ caớ aùnh saùng cuợng khọng thóứ thoaùt ra õổồỹc. Moỹi thión thóứ õóỳn gỏửn õóửu bở cuọỳn huùt nhổ mọỹt xoaùy nổồùc khọứng lọử. Nóỳu õổồỹc neùn õóỳn traỷng thaùi lọự õen, õaỷt tồùi baùn kờnh hỏỳp dỏựn, thỗ baùn kờnh Quaớ õỏỳt chố bàũng 3cm, baùn kờnh màỷt trồỡi laỡ 3 km. 1.4. Trái đất, cấu tạo của trái đất Traùi õỏỳt õổồỹc hỗnh thaỡnh caùch õỏy gỏửn 5 tyớ nàm tổỡ mọỹt vaỡnh õai buỷi khờ quay quanh màỷt trồỡi, kóỳt tuỷ thaỡnh mọỹt quaớ cỏửu xọỳp tổỷ xoay vaỡ quay quanh màỷt trồỡi. Lổỷc hỏỳp dỏựn eùp quaớ cỏửu co laỷi, khióỳn nhióỷt õọỹ nọứ tàng lón haỡng ngaỡn õọỹ, laỡm noùng chaớy quaớ cỏửu, khi õoù caùc nguyón tọỳ nàỷng nhổ Sàừt vaỡ Niken chỗm dỏửn vaỡo tỏm taỷo loợi quaớ õỏỳt, xung quanh laỡ magma loớng, ngoaỡi cuỡng laỡ khờ quyóứn sồ khai gọửm H2, He, H2O, CH4, NH3 vaỡ H2SO4. Traùi õỏỳt tióỳp tuỷc quay, toớa nhióỷt vaỡ nguọỹi dỏửn. Caùch õỏy 3,8 tyớ nàm nhióỷt õọỹ õuớ nguọỹi õóứ Silicat nọứi lón trón màỷt magma rọửi õọng cổùng laỷi, taỷo ra voớ traùi õỏỳt daỡy khoaớng 25km, vồùi nuùi cao, õỏỳt bàũng vaỡ họỳ sỏu. Nàng lổồỹng phoùng xaỷ trong loỡng õỏỳt vồùi bổùc xaỷ màỷt trồỡi tióỳp tuỷc gỏy ra caùc bióỳn õọứi õởa tỏửng, vaỡ taỷo ra thóm H2O, N2, O2, CO2 trong khờ quyóứn. Khờ quyóứn nguọỹi dỏửn õóỳn õọỹ nổồùc ngổng tuỷ, gỏy ra mổa keùo daỡi haỡnh trióỷu nàm, taỷo ra sọng họử, bióứn vaỡ õaỷi dổồng. Caùch õỏy gỏửn 2 tyớ nàm, nhổợng sinh vỏỷt õỏửu tión xuỏỳt hióỷn trong nổồùc, sau õoù phaùt trióứn thaỡnh sinh vỏỷt cỏỳp cao vaỡ tióỳn hoaù thaỡnh ngổồỡi. Trái đất, hành tinh thứ 3 tính từ mặt trời, cùng với mặt trăng một vệ tinh duy nhất tạo ra một hệ thống hành tinh kép đặc biệt. Trái đất là hành tinh lớn nhất trong số các hành tinh bên trong của hệ mặt trời với đ−ờng kính ở xích đạo 12.756 km. Nhìn từ không gian, trái đất có màu xanh, nâu và xanh lá cây với những đám mây trắng th−ờng xuyên Hỗnh 1.8. Traùi õỏỳt 15 thay đổi. Bề mặt trái đất có một đặc tính mà không một hành tinh nào khác có: hai trạng thái của vật chất cùng tồn tại bên nhau ở cả thể rắn và thể lỏng. Vùng ranh giới giữa biển và đất liền là nơi duy nhất trong vũ trụ có vật chất hiện hữu ổn định trong cả 3 thể rắn, lỏng và khí. Vóử cỏỳu taỷo, bón trong traùi õỏỳt õổồỹc chia ra 4 lồùp. Trong cuỡng laỡ nhỏn trong, coù baùn kờnh r ≤ 1300km, nhióỷt õọỹ T ≥ 4000K, gọửm Sàừt vaỡ Niken bở neùn cổùng. Tióỳp theo laỡ nhỏn ngoaỡi, coù r ∈ (1300 ữ 3500)km, nhióỷt õọỹ T ∈ (2000 ữ 4000)K, gọửm Sàừt vaỡ Niken loớng. Kóỳ tióỳp laỡ lồùp magma loớng, chuớ yóỳu gọửm SiO vaỡ Sàừt, coù r ∈ (3500 ữ 6350)km, nhióỷt õọỹ T ∈ (1000 ữ 2000)K. Ngoaỡi cuỡng laỡ lồùp voớ cổùng daỡy trung bỗnh 25 km, coù nhióỷt õọỹ T ∈ (300 ữ 1000)K, chuớ yóỳu gọửm SiO vaỡ H2O. Lồùp voớ naỡy gọửm 7 maớng lồùn vaỡ hồn 100 maớng nhoớ gheùp laỷi, chuùng trọi trổồỹt vaỡ va õỏỷp nhau, gỏy ra õọỹng õỏỳt vaỡ nuùi lổớa, laỡm thay õọứi õởa hỗnh. Hành tinh trái đất di chuyển trên một quỹ đạo gần ellip, mặt trời không ở tâm của ellip, mà là tại một trong 2 tiêu điểm. Trong thời gian một năm, có khi trái đất gần, có khi xa mặt trời đôi chút, vì quỹ đạo ellip của nó gần nh− hình tròn. Hàng năm, vào tháng giêng, trái đất gần mặt trời hơn so với vào tháng 7 khoảng 5 triệu km, sự sai biệt này quá nhỏ so với khoảng cách mặt trời đến trái đất. Chúng ta không cảm nhận đ−ợc sự khác biệt này trong một vòng quay của trái đất quanh mặt trời, hay trong một năm, sự khác biệt về khoảng cách này hầu nh− không ảnh h−ởng gì Nhỏn ràừn - Fe, Ni Khờ quyóứn - N , O , H O, CO Lồùp voớ - SiO, H O Lồùp bao (magma) - Fe, Ni Nhỏn loớng - Fe, Ni 2 2 2 2 2 1000 6750 0 2000 4000 3500 1300 6375 km7200 r 3 300 Hỗnh 1.9. Cỏỳu taỷo bón trong traùi õỏỳt 16 đến mùa đông và mùa hè trên trái đất, chỉ có điều là vào mùa đông chúng ta ở gần mặt trời hơn so với mùa hè chút ít. Trái đất chuyển động quanh mặt trời, đồng thời nó cũng tự quay quanh trục của nó. Trong thời gian quay một vòng quanh mặt trời, trái đất quay 365 và 1/4 vòng quanh trục. Chuyển động quay quanh mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động quay quanh trục tạo nên ngày và đêm trên trái đất. Trục quay của trái đất không thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đông và mùa hè. Trái đất quay, vì thế đối với chúng ta đứng trên trái đất có vẻ nh− các vì sao cố định đ−ợc gắn chặt với quả cầu bầu trời quay xung quanh chúng ta. Chuyển động quay của trái đất không quá nhanh để lực ly tâm của nó có thể bắn chúng ta ra ngoài không gian. Lực ly tâm tác dụng lên mọi vật cùng quay theo trái đất, nh−ng vô cùng nhỏ. Lực ly tâm lớn nhất ở xích đạo nó kéo mọi vật thể lên phía trên và làm chúng nhẹ đi chút ít. Vì thế, mọi vật thể ở xích đạo cân nhẹ hơn năm phần ngàn so với ở hai cực. Hậu quả của chuyển động quay làm cho trái đất không còn đúng là quả cầu tròn đều nữa mà lực ly tâm làm cho nó phình ra ở xích đạo một chút. Sự sai khác này thực ra không đáng kể, bán kính trái đất ở xích đạo là 6.378.140km, lớn hơn khoảng cách từ 2 cực đến tâm trái đất là gần 22km. Sự sống và các đại d−ơng có khả năng tạo ra sự sống chỉ hiện hữu duy nhất trên trái đất. Trên các hành tinh khác gần chúng ta nhất nh− sao Kim thì quá nóng và sao Hỏa quá lạnh. N−ớc trên sao Kim nay đã bốc thành hơi n−ớc, còn n−ớc trên sao Hoả đã đóng thành băng bên d−ới bề mặt của nó. Chỉ có hành tinh của chúng ta là phù hợp cho n−ớc ở thể lỏng với nhiệt độ từ 0 đến 100oC. Xung quanh traùi õỏỳt coù lồùp khờ quyóứn daỡy khoaớng H = 800 km chổùa N2, O2, H2O, CO2, NOx, H2, He, Ar, Ne. Aẽp suỏỳt vaỡ khọỳi lổồỹng rióng cuớa khờ quyóứn giaớm dỏửn vồùi õọỹ cao y theo quy luỏỷt: p(y) = p0.(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cp/R ρ(y) = ρ0(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cv/R. Khí quyển tác động đến nhiệt độ trên hành tinh của chúng ta. Các vụ phun trào núi lửa cùng với các hoạt động của con ng−ời làm ảnh h−ởng đến các thành phần cấu tạo của khí quyển. Vì thế, hệ sinh thái trên hành tinh chúng ta là kết quả của sự cân bằng mong manh giữa các ảnh h−ởng khác nhau. Trong quá khứ, hệ sinh thái này là một hệ thống cân bằng tự điều chỉnh, nh−ng ngày nay do tác động của con ng−ời có thể đang là nguyên nhân làm v−ợt qua trạng thái cân bằng này. 17 Lớp không khí bao quanh trái đất có thể tích khoảng 270 triệu km3 và nặng khoảng 5.300 tỷ tấn đè lên thân thể chúng ta. Những gì mà chúng ta cảm nhận đ−ợc chỉ xảy ra trong tầng thấp nhất, cao khoảng 18km của cột không khí khổng lồ này, tuy nhiên, phần nhỏ này lại đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự sống trên hành tinh của chúng ta. Trong không khí chứa khoảng 78% phân tử nitơ và 21% oxy cùng với 1% argon và một số chất khí khác và hơi n−ớc trong đó có khoảng 0,03% khí cácbonic. Mặc dầu hàm l−ợng khí cácbonic rất nhỏ, nh−ng lại đóng một vai trò quan trọng đối với sự sống trên trái đất. Càng lên cao áp suất không khí giảm và nhiệt độ cũng thay đổi rất nhiều, tuy nhiên nhiệt độ của không khí không hạ xuống một cách đơn giản khi chúng ta tiến ra ngoài không gian, nhiệt độ không khí giảm và tăng theo một chu trình nhất định. Nhiệt độ ở mỗi tầng t−ơng ứng với mức tích tụ và loại năng l−ợng tác động trong tầng đó. Khí quyển của trái đất có thể chia làm 4 tầng, trong đó mỗi tầng có một kiểu cân bằng năng l−ợng khác nhau. Tầng d−ới cùng nhất gọi là tầng đối l−u (Troposphere) tầng này bị chi phối bởi ánh sáng khả kiến và Hỗnh 1.10. Sổỷ thay õọứi nhióỷt õọỹ theo õọỹ cao cuớa caùc tỏửng khờ quyóứn 18 tia hồng ngoại, gần 95% tổng số khối l−ợng và toàn bộ n−ớc trong khí quyển phân bố trong tầng này tầng đối l−u cao chỉ khoảng 14km. Gần nh− toàn bộ sự trao đổi năng l−ợng giữa khí quyển và trái đất xảy ra trong tầng này. Mặt đất và mặt biển bị hâm nóng lên bởi ánh nắng mặt trời. Nhiệt độ trung bình trên bề mặt trái đất khoảng 15oC, bức xạ nhiệt đóng vai trò điều tiết tự nhiên để giữ cho nhiệt độ trên mặt đất chỉ thay đổi trong một dải tầng hẹp. Theo lý thuyết, càng lên cao nhiệt độ càng giảm T(y) = T0 - (g/Cp).y, nh−ng trong thực tế thì không đúng nh− vậy. Trên tầng đối l−u là tầng bình l−u (Stratosphere), tại đây nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại. Nhiệt độ tại vùng chuyển tiếp giữa vùng đối l−u và vùng bình l−u khoảng -50oC, càng lên cao nhiệt độ lại tăng dần, tại ranh giới của tầng bình l−u có độ cao khoảng 50km nhiệt độ tăng lên khoảng 0oC. Nguyên nhân gây ra hiện t−ợng này là vì các phân tử oxy (O2) và ozon (O3) hấp thụ một phần các tia cực tím đến từ Mặt trời (90% ozon trong khí quyển chứa trong tầng bình l−u). Nếu tất cả các tia cực tím này có thể đến mặt đất thì sự sống trên trái đất có nguy cơ bị hủy diệt. Một phần nhỏ tia cực tím bị hấp thụ bởi O2 trong tầng bình l−u, quá trình này tách một phân tử O2 thành 2 nguyên tử O, một số nguyên tử O phản ứng với phân tử O2 khác để tạo thành O3. Mặc dầu chỉ một phần triệu phân tử trong khí quyển là ozon nh−ng các phân tử ít ỏi này có khả năng hấp thụ hầu hết ánh sáng cực tím tr−ớc khi chúng đến đ−ợc mặt đất. Các photon trong ánh sáng cực tím chứa năng l−ợng lớn gấp 2 đến 3 lần các photon trong ánh sáng khả kiến, chúng là một trong các nguyên nhân gây bệnh ung th− da. Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy l−ợng ozon trong tầng thấp nhất của khí quyển (tầng đối l−u) ngày càng tăng, trong khi đó hàm l−ợng ozon trong tầng bình l−u đã bị giảm 6% từ 20 năm trở lại đây. Hậu quả của sự suy giảm này là các tia cực tím có thể xuyên qua khí quyển đến mặt đất ngày nhiều hơn và làm nhiệt độ trong tầng bình l−u ngày càng lạnh đi, trong khi đó nhiệt độ trong tầng đối l−u ngày một nóng lên do hàm l−ợng ozon gần mặt đất ngày càng tăng. Trong tầng giữa (Mesosphere), có độ cao từ 50km trở lên, ozon thình lình mỏng ra và nhiệt độ giảm dần và lên đến ranh giới cao nhất của tầng này (khoảng 80km) thì nhiệt độ chỉ khoảng -90oC. Càng lên cao nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại và sự cấu tạo của khí quyển thay đổi hoàn toàn. Trong khi ở tầng d−ới các quá trình cơ học và trong tầng giữa các quá trình hoá học xảy ra rất tiêu biểu, thì trong tầng cao nhất của khí quyển các quá trình diễn ra rất khác biệt. Nhiệt l−ợng 19 bức xạ rất mạnh của mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành các ion và electron. Vì thế ng−ời ta gọi tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này. Càng lên cao, bức xạ Mặt trời trời càng mạnh, ở độ cao khoảng 600km, nhiệt độ lên đến 1000oC. Càng lên cao khí quyển càng mỏng và không có một ranh giới rõ ràng phân biệt gữa khí quyển của trái đất và không gian. Ng−ời ta thống nhất rằng khí quyển chuẩn của trái đất có độ cao 800km. 20 Chổồng 2: NÀNG LặÅĩNG MÀÛT TRÅèI 2.1. Nàng lổồỹng bổùc xaỷ màỷt trồỡi Trong toaỡn bọỹ bổùc xaỷ cuớa màỷt trồỡi, bổùc xaỷ lión quan trổỷc tióỳp õóỳn caùc phaớn ổùng haỷt nhỏn xaớy ra trong nhỏn màỷt trồỡi khọng quaù 3%. Bổùc xaỷ γ ban õỏửu khi õi qua 5.105km chióửu daỡy cuớa lồùp vỏỷt chỏỳt màỷt trồỡi, bở bióỳn õọứi rỏỳt maỷnh. Tỏỳt caớ caùc daỷng cuớa bổùc xaỷ õióỷn tổỡ õóửu coù baớn chỏỳt soùng vaỡ chuùng khaùc nhau ồớ bổồùc soùng. Bổùc xaỷ γ laỡ soùng ngàừn nhỏỳt trong caùc soùng õoù (hỗnh 2.1). Tổỡ tỏm màỷt trồỡi õi ra do sổỷ va chaỷm hoàỷc taùn xaỷ maỡ nàng lổồỹng cuớa chuùng giaớm õi vaỡ bỏy giồỡ chuùng ổùng vồùi bổùc xaỷ coù bổồùc soùng daỡi. Nhổ vỏỷy bổùc xaỷ chuyóứn thaỡnh bổùc xaỷ Rồngen coù bổồùc soùng daỡi hồn. Gỏửn õóỳn bóử màỷt màỷt trồỡi nồi coù nhióỷt õọỹ õuớ thỏỳp õóứ coù thóứ tọửn taỷi vỏỷt chỏỳt trong traỷng thaùi nguyón tổớ vaỡ caùc cồ chóỳ khaùc bàừt õỏửu xaớy ra. Âàỷc trổng cuớa bổùc xaỷ màỷt trồỡi truyóửn trong khọng gian bón ngoaỡi màỷt trồỡi laỡ mọỹt phọứ rọỹng trong õoù cổỷc õaỷi cuớa cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ nàũm trong daới 10-1 - 10 àm vaỡ hỏửu nhổ mọỹt nổớa tọứng nàng lổồỹng màỷt trồỡi tỏỷp trung trong khoaớng bổồùc soùng 0,38 - 0,78 àm õoù laỡ vuỡng nhỗn thỏỳy cuớa phọứ. Chuỡm tia truyóửn thàúng tổỡ màỷt trồỡi goỹi laỡ bổùc xaỷ trổỷc xaỷ. Tọứng hồỹp caùc tia trổỷc xaỷ vaỡ taùn xaỷ goỹi laỡ tọứng xaỷ. Mỏỷt õọỹ doỡng bổùc xaỷ trổỷc xaỷ ồớ ngoaỡi lồùp khờ 10exp -8 10exp -6 10exp -4 10exp -2 10exp 0 10exp 2 10exp 4 10exp 6 10exp 8 10exp 10 Tia Gamma Tổớ ngoaỷi Radar, TV, Radio Radio Radio Soùng daỡiSoùng ngàừn Bổùc xaỷ nhióỷt Tia Cosmic Tia X . Gỏửn xa Tia họửng ngoaỷi 25 Aẽnh saùng trong thỏỳy 0.38 - 0.78 Nàng lổồỹng màỷt trồỡi3 ÂÄĩ DAèI BặÅẽC SOẽNG ( Hỗnh 2.1 Daới bổùc xaỷ õióỷn tổỡ 21 quyóứn, tờnh õọỳi vồùi vồùi 1m2 bóử màỷt õàỷt vuọng goùc vồùi tia bổùc xaỷ, õổồỹc tờnh theo cọng thổù : q C TD T= ϕ _ . ( / )0 4100 ÅÍ õỏy ϕD T− - hóỷ sọỳ goùc bổùc xaỷ giổợa traùi õỏỳt vaỡ màỷt trồỡi ϕ βD T− = 2 4/ β - goùc nhỗn màỷt trồỡi vaỡ β ≈ 32’ nhổ hỗnh 2.2 C0 = 5,67 W/m2.K4 - hóỷ sọỳ bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi T ≈ 5762 oK -nhióỷt õọỹ bóử màỷt màỷt trồỡi (xem giọỳng vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi) Vỏỷy 4 2 100 5762.67,5. 4 60.360 32.14,3.2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ =q ≈ 1353 W/m2 32' 149 500 000 km ± 1.7% Màỷt trồỡi Traùi õỏỳt D = 1 390 000 km D'= 12 700 km Hỗnh 1.2 : Goùc nhỗn màỷt trồỡi Do khoaớng caùch giổợa traùi õỏỳt vaỡ màỷt trồỡi thay õọứi theo muỡa trong nàm nón β cuợng thay õọứi do õoù q cuợng thay õọứi nhổng õọỹ thay õọứi naỡy khọng lồùn làừm nón coù thóứ xem q laỡ khọng õọứi vaỡ õổồỹc goỹi laỡ hàũng sọỳ màỷt trồỡi. Khi truyóửn qua lồùp khờ quyóứn bao boỹc quanh traùi õỏỳt caùc chuỡm tia bổùc xaỷ bở hỏỳp thuỷ vaỡ taùn xaỷ bồới tỏửng ọzọn, hồi nổồùc vaỡ buỷi trong khờ quyóứn, chố mọỹt phỏửn nàng lổồỹng õổồỹc truyóửn trổỷc tióỳp tồùi traùi õỏỳt. Âỏửu tión ọxy phỏn tổớ bỗnh thổồỡng O2 phỏn ly thaỡnh ọxy nguyón tổớ O, õóứ phaù vồợ lión kóỳt phỏn tổớ õoù, cỏửn phaới coù caùc photon bổồùc soùng ngàừn hồn 0,18àm, do õoù caùc photon (xem bổùc xaỷ nhổ caùc haỷt rồỡi raỷc - photon) coù nàng lổồỹng nhổ vỏỷy bở hỏỳp thuỷ hoaỡn toaỡn. Chố mọỹt phỏửn caùc nguyón tổớ ọxy kóỳt hồỹp thaỡnh caùc phỏn tổớ, coỡn õaỷi õa sọỳ caùc Hỗnh 2.2. oùc nhỗn màỷt trồỡi. 22 nguyón tổớ tổồng taùc vồùi caùc phỏn tổớ ọxy khaùc õóứ taỷo thaỡnh phỏn tổớ ọzọn O3, ọzọn cuợng hỏỳp thuỷ bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi nhổng vồùi mổùc õọỹ thỏỳp hồn so vồùi ọxy, dổồùi taùc duỷng cuớa caùc photon vồùi bổồùc soùng ngàừn hồn 0,32àm, sổỷ phỏn taùch O3 thaỡnh O2 vaỡ O xaớy ra. Nhổ vỏỷy hỏửu nhổ toaỡn bọỹ nàng lổồỹng cuớa bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi õổồỹc sổớ duỷng õóứ duy trỗ quaù trỗnh phỏn ly vaỡ hồỹp nhỏỳt cuớa O, O2 vaỡ O3, õoù laỡ mọỹt quaù trỗnh ọứn õởnh. Do quaù trỗnh naỡy, khi õi qua khờ quyóứn, bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi bióỳn õọứi thaỡnh bổùc xaỷ vồùi nàng lổồỹng nhoớ hồn. 1353 W/m2 1000 W/m2 Tia phaớn xaỷ Bổùc xaỷ khuyóỳch taùn Mỏỳt maùt do sổỷ hỏỳp thuỷ Sổỷ phaớn xaỷ Khờ quyóứn Bóử màỷt traùi õỏỳt (Trồỡi quang õaợng) Khoaớng khọng Vuợ truỷ Caùc bổùc xaỷ vồùi bổồùc soùng ổùng vồùi caùc vuỡng nhỗn thỏỳy vaỡ vuỡng họửng ngoaỷi cuớa phọứ tổồng taùc vồùi caùc phỏn tổớ khờ vaỡ caùc haỷt buỷi cuớa khọng khờ nhổng khọng phaù vồợ caùc lión kóỳt cuớa chuùng, khi õoù caùc photon bở taùn xaỷ khaù õóửu theo moỹi hổồùng vaỡ mọỹt sọỳ photon quay trồớ laỷi khọng gian vuợ truỷ. Bổùc xaỷ chởu daỷng taùn xaỷ õoù chuớ yóỳu laỡ bổùc xaỷ coù bổồùc soùng ngàừn nhỏỳt. Sau khi phaớn xaỷ tổỡ caùc phỏửn khaùc nhau cuớa khờ quyóứn bổùc xaỷ taùn xaỷ õi õóỳn chuùng ta mang theo maỡu Hỗnh 2.3. Quaù trỗnh truyóửn nàng lổồỹng bổùc xaỷ màỷt trồỡi qua lồùp khờ quyóứn cuớa traùi õỏỳt. 23 xanh lam cuớa bỏửu trồỡi trong saùng vaỡ coù thóứ quan saùt õổồỹc ồớ nhổợng õọỹ cao khọng lồùn. Caùc gioỹt nổồùc cuợng taùn xaỷ rỏỳt maỷnh bổùc xaỷ màỷt trồỡi. Bổùc xaỷ màỷt trồỡi khi õi qua khờ quyóứn coỡn gàỷp mọỹt trồớ ngaỷi õaùng kóứ nổợa õoù laỡ do sổỷ hỏỳp thuỷ cuớa caùc phỏửn tổớ hồi nổoùc, khờ cacbọnic vaỡ caùc hồỹp chỏỳt khaùc, mổùc õọỹ cuớa sổỷ hỏỳp thuỷ naỡy phuỷ thuọỹc vaỡo bổồùc soùng, maỷnh nhỏỳt ồớ khoaớng giổợa vuỡng họửng ngoaỷi cuớa phọứ. Phỏửn nàng lổồỹng bổùc xaỷ màỷt trồỡi truyóửn tồùi bóử màỷt traùi õỏỳt trong nhổợng ngaỡy quang õaợng (khọng coù mỏy) ồớ thồỡi õióứm cao nhỏỳt vaỡo khoaớng 1000W/m2 hỗnh 2.3. Yóỳu tọỳ cồ baớn xaùc õởnh cổồỡng õọỹ cuớa bổùc xaỷ màỷt trồỡi ồớ mọỹt õióứm naỡo õoù trón traùi õỏỳt laỡ quaợng õổồỡng noù õi qua. Sổỷ mỏỳt maùt nàng lổồỹng trón quaợng õổồỡng õoù gàừn lióửn vồùi sổỷ taùn xaỷ, hỏỳp thuỷ bổùc xaỷ vaỡ phuỷ thuọỹc vaỡo thồỡi gian trong ngaỡy, muỡa, vở trờ õởa lyù. Caùc muỡa hỗnh thaỡnh laỡ do sổỷ nghióng cuớa truỷc traùi õỏỳt õọỳi vồùi màỷt phàúng quyợ õaỷo cuớa noù quanh màỷt trồỡi gỏy ra. Goùc nghióng vaỡo khoaớng 66,5o vaỡ thổỷc tóỳ xem nhổ khọng õọứi trong khọng gian. Sổỷ õởnh hổồùng nhổ vỏỷy cuớa truỷc quay traùi õỏỳt trong chuyóứn õọỹng cuớa noù õọỳi vồùi màỷt trồỡi gỏy ra nhổợng sổỷ dao õọỹng quan troỹng vóử õọỹ daỡi ngaỡy vaỡ õóm trong nàm. Phỏn bọỳ cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ õồn saùc E0λ(λ) cuớa màỷt trồỡi õổồỹc xaùc õởnh theo õởnh luỏỷt Planck, coù daỷng: e CE T C 12 5 1 0 . − = λ λ λ Dióỷn tờch phờa dổồùi õổồỡng cong seợ mọ taớ cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn phỏửn E0 cuớa Màỷt trồỡi. Phỏửn cọng suỏỳt mang tia saùng (AS) thỏỳy õổồỹc laỡ: EAS = ∫∫ ∞ ==−− 0 0010.8,0 10.4,0 0 5,0)(5,0)( 6 6 EdEdE λλλλ λλ E0λ õaỷt cổc trở taỷi λm = 2,98.10-3/T0 = 0,5àm vaỡ E0λmax = E0λ(λm,T0) = 8,3.1013 W/m3 Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn phỏửn: E0 = σ0.T04 = 6,25.107 W/m2 Cọng suỏỳt bổùc xaỷ toaỡn phỏửn cuớa Màỷt trồỡi: Q0 = E0.F = π.D2.σ0.T04 = 3,8.1026W. Cọng suỏỳt naỡy bàũng 4.1013 lỏửn tọứng cọng suỏỳt õióỷn toaỡn thóỳ giồùi hióỷn nay, vaỡo khoaớg P = 1013W. EoλΤ W/m³ TN AS HN VT 83 80 60 40 20 00,02 0,4 0,5 0,8 400 50%Eo Eo λ à H.8 - Phỏn bọỳ E (λ) cuớa Màỷt trồỡi oλỗnh 2.4. Phỏn bọỳ E0λ(λ) cuớa màỷt trồỡi 24 2.2. Ph−ơng pháp tính toán năng l−ợng bức xạ mặt trời Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ màỷt trồỡi trón màỷt õỏỳt chuớ yóỳu phuỷ thuọỹc 2 yóỳu tọỳ: goùc nghióng cuớa caùc tia saùng õọỳi vồùi màỷt phàúng bóử màỷt taỷi õióứm õaợ cho vaỡ õọỹ daỡi õổồỡng õi cuớa caùc tia saùng trong khờ quyóứn hay noùi chung laỡ phuỷ thuọỹc vaỡo õọỹ cao cuớa màỷt trồỡi (Goùc giổợa phổồng tổỡ õióứm quan saùt õóỳn màỷt trồỡi vaỡ màỷt phàúng nàũm ngang õi qua õióứm õoù). Yếu tố cơ bản xác định c−ờng độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đ−ờng nó đi qua. Sự mất mát năng l−ợng trên quãng đ−ờng đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo ph−ơng trình sau: Eng = Eo(1+0, 033cos 365 360n ), W/m2 trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển đ−ợc đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm. 2.2.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm nh− sau: - Hệ số khối không khí: m, là tỷ số giữa khối l−ợng khí quyển theo ph−ơng tia bức xạ truyền qua và khối l−ợng khí quyển theo ph−ơng thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở thiên đỉnh). Nh− vậy m =1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh θz là 600. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có thể xác định gần đúng m =1/cosθz. Còn đối với các góc θz>700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải đ−ợc đ−a vào tính toán. Riêng đối với tr−ờng hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m =0. - Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận đ−ợc khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đây là dòng bức xạ có h−ớng và có thể thu đ−ợc ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ). - Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận đ−ợc sau khi h−ớng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí t−ợng, tán xạ còn đ−ợc gọi là bức xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra). - Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên một bề mặt nằm ngang, th−ờng gọi là bức xạ cầu trên bề mặt). 25 - C−ờng độ bức xạ (W/m2): là c−ờng độ năng l−ợng bức xạ mặt trời đến một bề mặt t−ơng ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. C−ờng độ bức xạ cũng bao gồm c−ờng độ bức xạ trực xạ Etrx, c−ờng độ bức xạ tán xạ Etx và c−ờng độ bức xạ quang phổ Eqp. - Năng l−ợng bức xạ (J/m2 : là năng l−ợng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, nh− vậy năng l−ợng bức xạ là một đại l−ợng bằng tích phân của c−ờng độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (th−ờng là 1 giờ hay 1 ngày). - Giờ mặt trờ : là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy −ớc giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của ng−ời quan sát. Giờ mặt trời là thời gian đ−ợc sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ. Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể đ−ợc xác định theo các góc đặc tr−ng sau (hình 2.5): - Góc vĩ độ φ: vị trí góc t−ơng ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đ−ờng xích đạo trái đất, với h−ớng phía bắc là h−ớng d−ơng. - 900 ≤ φ ≤ 900 - Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và ph−ơng nằm ngang. 0 ≤ β ≤ 1800 (β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ h−ớng xuống phía d−ới). - Góc ph−ơng vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đ−ờng kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về h−ớng chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông. -1800 ≤ γ ≤ 1800 26 - Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của kinh tuyến địa ph−ơng do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị 150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+). - Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó. - Góc thiên đỉnh θz: góc giữa ph−ơng thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới. Trong tr−ờng hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ. - Góc cao mặt trời α : góc giữa ph−ơng nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ của góc thiên đỉnh. - Góc ph−ơng vị mặt trời γs: góc lệch so với ph−ơng nam của hình chiếu tia bức xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu d−ơng (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây. - Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời t−ơng ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa ph−ơng) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với h−ớng phía bắc là h−ớng d−ơng. -23,450 ≤ δ ≤ 23,450 Mặt trời α γ γ θz z z β N B Đ T Thiên đỉnh Pháp tuyến từ mặt phẳng nằm ngang θ Hình 2.5. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 27 Góc lệch δ có thể tính toán theo ph−ơng trình của Cooper: δ = 23,45.sin(360 365 284 n+ ) trong đó n là thứ tự ngày của 1 năm . Quan hệ giữa các loại góc đặc tr−ng ở trên có thể biểu diễn bằng ph−ơng trình giữa góc tới θ và các góc khác nh− sau: cosθ = sinδ.sinφ. cosβ - sinδ.cosφ. sinβ.cosγ + cosδ.cosφ.cosβ.cosω + + cosδ.sinφ.sinβ.cosγ.cosω + cosδ.sinβ.sinγ.sinω và: cosθ = cosθz.cosβ + sinθz.sinβ.cos(γs - γ) Đối với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời θz, giá trị của nó phải nằm trong khoảng 00 và 900 từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời ở thiên đỉnh (β = 0): cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ 2.2.2. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang: Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển đ−ợc xác định theo ph−ơng trình: zongo nEE θcos. 365 .360cos.033.01. ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += Thay giá trị cosθz vào ph−ơng trình trên ta có Eo.ng tại thời điểm bất kỳ từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn: ( )δφωδφ sin.sincos.cos.cos 365 360cos.033.01. +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += nEE ongo Tích phân ph−ơng trình này theo thời gian từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn (6h đến 18h mặt trời) ta sẽ đ−ợc Eo. ngay là năng l−ợng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += δφπωωδφπ sin.sin180sin.cos.cos365 360cos.033.01 3600.24 . s s o ngayo nEE với ωs là góc giờ mặt trời lặn (0) (tức là góc giờ ω khi θz = 900) δφδφ δφω tgtgs .cos.cos sin.sincos −=−= 28 Ng−ời ta cũng xác định năng l−ợng bức xạ ngày trung bình tháng Eoth bằng cách thay giá trị n và δ trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày trung bình của tháng và độ lệch δ t−ơng ứng. Năng l−ợng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể xác định khi phân tích ph−ơng trình 1.9 trong khoảng thời gian giữa các góc giờ ω1 và ω2: ( ) ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += δφωωπωωδφπ sin.sin180sinsincos.cos365 360033.013600112 1221. nExE ogioo 2.2.3. Tổng c−ờng độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần chính đó là trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ đã đựơc khảo sát ở trên, còn thành phần tán xạ thì khá phức tạp. H−ớng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại l−ợng này lại thay đổi khá nhiều. Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần (hình 2.6). - Thành phần tán xạ đẳng h−ớng: phần tán xạ nhận đ−ợc đồng đều từ toàn bộ vòm trời. - Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung quanh tia mặt trời. - Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đ−ờng chân trời. 29 Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ Rg (còn gọi là albedo -suất phân chiếu) của mặt đất. Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ bề mặt tuyết xốp có Rg = 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần l−ợt bị phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời. Nh− vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các dòng bức xạ bao gồm: trực xạ Eb, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ phản xạ từ các bề mặt khác lân cận Er: EΣ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er Tuy nhiên việc tính toán các đại l−ợng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy ng−ời ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng h−ớng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất là nh− nhau trong mọi tr−ờng hợp không phụ thuộc h−ớng của bề mặt. Nh− vậy tổng xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ Eb.Bb và tán xạ trên mặt nằm ngang Ed. Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc β so với ph−ơng nằm ngang sẽ có tổng xạ bằng tổng của 3 thành phần: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ∑∑ 2 cos1. 2 cos1 ββ β gdbb REEBEE thành phần tán xạ đẳng huớng thành phần tán xạ chân trời thành phần tán xạ quanh tia Tia trực xạ Hình 2.6. Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán. 30 Trong đó : EΣ là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang, (1 + cosβ)/2 = Fcs là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời (1 - cosβ)/2 = Fcg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất Rg là hệ số phản xạ bức xạ của môi tr−ờng xung quanh. Và ta có tỷ số bức xạ Bb của bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang: zzn n bng n b E E E EB θ θ θ θ cos cos cos. cos. === En là c−ờng độ bức xạ mặt trời tới theo ph−ơng bất kỳ, Ebng là bức xạ mặt trời theo ph−ơng vuông góc với mặt nằm ngang, Ebngh là bức xạ mặt trời theo ph−ơng vuông góc với mặt phẳng nghiêng, cosθ và cosθz đ−ợc xác định bởi các ph−ơng trình trên và các góc đ−ợc biểu diễn trên hình 2.8. Tán xạ đẵng huớng Tán xạ chân trời Tán xạ quanh tia Tia trực xạ Mặt đất Phản xạ từ mặt đất β Hình 2.7. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng. θz Ebng En β θ Ebngh nE Hình 2.8. Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng. 31 Trong tờnh toaùn kyợ thuỏỷt, coù thóứ coi cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ tồùi màỷt õỏỳt laỡ haỡm cuớa thồỡi gian τ, tờnh tổỡ luùc màỷt trồỡi moỹc, τ = 0 õóỳn khi màỷt trồỡi làỷn τ =τn/2, vồùi τn=24h = 24.3600s nhổ sau: E(τ) = En.sinϕ(τ) ϕ(τ) = ω.τ laỡ goùc nghióng tia nàừng so vồùi màỷt õỏỳt, srad n /10.72,7 3600.24 22 5−=== πτ πω laỡ tọỳc õọỹ goùc tổỷ xoay cuớa traùi õỏỳt, En[W/m2] laỡ cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ cổỷc õaỷi trong ngaỡy, lỏỳy trở trung bỗnh caớ nàm theo theo sọỳ lióỷu sọỳ lióỷu õo lổồỡng thổỷc tóỳ taỷi vộ õọỹ cỏửn xeùt. 2.3. Bức xạ mặt trời truyền qua kính Độ hấp thụ, truyền qua và phản xạ của vật liệu là hàm số của bức xạ truyền tới, độ dày và chỉ số khúc xạ của lớp vật liệu đó. Hầu hết các bộ thu NLMT đều sử dụng kính làm vật liệu che phủ bề mặt bộ thu vì tính chất quang học −u việt của nó. 2.3.1. Hiệu ứng lồng kính Hióỷu ổùng lọửỡng kờnh laỡ hióỷn tổồỹng tờch luyợ nàng lổồỹng bổùc xaỷ cuớa màỷt trồỡi phờa dổồùi mọỹt tỏỳm kờnh hoàỷc mọỹt lồùp khờ naỡo õoù, vờ duỷ CO2 hoàỷc NOx. Giaới thờch hióỷu ổùng lọửng kờnh nhổ sau: Tỏỳm kờnh hoàỷc lồùp khờ coù õọỹ trong õồn sàừc Dλ giaớm dỏửn khi bổồùc soùng λ tàng. Coỡn bổồùc soùng λmkhi Eλ cổỷc õaỷi, laỡ bổồùc soùng mang nhióửu nàng lổồỹng nhỏỳt, thỗ laỷi giaớm theo õởnh luỏỷt Wien λ = 2,9.10-3/T. Bổùc xaỷ màỷt trồỡi, phaùt ra tổỡ nhióỷt õọỹ cao T0 = 5762K, coù nàng lổồỹng tỏỷp trung quanh soùng λm0 = 0,5àm, seợ xuyón qua kờnh hoaỡn toaỡn, vỗ D(λm0) ≈ 1. Bổùc xaỷ thổù cỏỳp, phaùt tổỡ vỏỷt thu coù nhióỷt õọỹ thỏỳp, khoaớng T ≤ 400K, coù nàng lổồỹng tỏỷp trung quanh soùng λm = 8àm, hỏửu nhổ khọng xuyón qua kờnh, vỗ D(λm) Eλ (àm)λ λmo= 0,5 λm = 8 λ D 0 0 1 To T Hinh 2.9. Hióỷu ổùng lọỡng kờnh. 32 ≈ 0, vaỡ bở phaớn xaỷ laỷi màỷt thu. Hióỷu sọỳ nàng lổồỹng (vaỡo - ra) > 0, õổồỹc tờch luyợ phờa dổồùi tỏỳm kờnh, laỡm nhióỷt õọỹ taỷi õoù tàng lón. 2.3.2. Sự phản xạ của bức xạ mặt trời Đối với các bề mặt nhẵn, biểu thức Fresnel của độ phản xạ bức xạ qua môi tr−ờng thứ nhất có độ khúc xạ (chiết suất) n1 đến môi tr−ờng thứ 2 có chiết suất n2 là: ( ) ( )122 12 2 sin sin θθ θθ + −=⊥r đối với thành phần vuông góc. r// = ( ) ( )122 12 2 θθ θθ + − tg tg đối với thành phần song song của bức xạ . r = i r E E = 2 //rr +⊥ là độ phản xạ trung bình của hai thành phần song song và vuông góc. Ei, Er, t−ơng ứng là c−ờng độ bức xạ tới, c−ờng độ bức xạ phản xạ. Các góc θ1 và θ2 là góc tới và góc khúc xạ (hình 2.10) có quan hệ với độ khúc xạ n theo định luật Snell: 1 2 2 1 sin sin θ θ= n n Nh− vậy nếu biết các đại l−ợng góc θ1, θ2, và chiết suất các môi tr−ờng n1, n2 ta có thể xác định đ−ợc độ phản xạ r của bề mặt. Đối với tia bức xạ tới vuông góc θ 1 2 n 1 n 2 môi truờng 1 môi truờng 2 Ei rE dE θ Hình 2.10. Quá trình truyền của tia bức xạ. 33 θ1, θ2 = 0 và các ph−ơng trình trên có thể kết hợp: ( ) 2 21 21 0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + −== nn nn E Er i r Nếu một môi tr−ờng là không khí (chiết suất n2 ≈ 1) thì: ( ) 2 1 1 0 1 1 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + −== n n E Er i r Đối với các loại bộ thu NLMT, th−ờng sử dụng kính hoặc vật liệu màng mỏng trong suốt phủ trên bề mặt hấp thụ nhiệt bức xạ, vì vậy luôn có 2 bề mặt ngăn cách của mỗi lớp vật liệu phủ gây ra tổn thất phản xạ. Nếu bỏ qua nhiệt l−ợng hấp thụ của lớp vật liệu này và xét tại thời điểm mà chỉ có thành phần vuông góc của bức xạ tới (hình 2.11), thì đại l−ợng (1 - r⊥ ) của tia bức xạ tới sẽ tới đ−ợc bề mặt thứ 2, trong đó (1 - r⊥ )2 đi qua bề mặt phân cách và r⊥ (1 - r⊥ ) bị phản xạ trở lại bề mặt phân cách thứ nhất v.v...Cộng tất cả các thành phần đ−ợc truyền qua thì hệ số truyền qua của thành phần vuông góc: ( ) ( )∑ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥⊥⊥ + −=− −=−= r r r rrrd n 1 1 1 1 1 2 22 Đối với thành phần song song cũng có kết quả t−ơng tự và hệ số truyền qua trung bình của cả hai thành phần: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + −++ −= ⊥ ⊥ r r r rdr 1 1 1 1 2 1 Nếu bộ thu có N lớp vật liệu phủ trong suốt nh− nhau thì: ( ) ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+ −+−+ −= ⊥ ⊥ rN r rN rdrN 121 1 121 1 2 1 1 r (1-r) r 2 (1-r) r 2 2 (1-r) (1-r) r 2 (1-r) r 2 4 (1 -r ) r 2 2 (1-r) r (1-r) 3 3 (1 -r ) r (1-r) r 4 Hình 2.11. Quá trình truyền của tia bức xạ qua lớp phủ không hấp thụ. 34 2.3.3. Tổn thất do hấp thụ bức xạ của kính Sự hấp thụ bức xạ trong vật liệu không trong suốt đ−ợc xác định bởi định luật Bougure dựa trên giả thiết là bức xạ bị hấp thụ tỷ lệ với c−ờng độ bức xạ qua vật liệu và khoảng cách x mà bức xạ đi qua: dE = - EKdx với K là hằng số tỷ lệ. Lấy tích phân dọc theo đ−ờng đi của tia bức xạ trong vật liệu từ 0 đến δ /cosθ2 (với δ là chiều dày của lớp vật liệu) ta có hệ số truyền qua của vật liệu khi có hấp thụ bức xạ: Da = i d E E = exp ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛− 2cosθ δK Trong đó, Ed là c−ờng độ bức xạ truyền qua lớp vật liệu. Đối với kính: K có trị số xấp xỉ 4m-1 đối với loại kính có cạnh màu trắng bạc và xấp xỉ 32m-1 đối với loại kính có cạnh màu xanh lục. 2.3.4. Hệ số truyền qua và hệ số phản xạ của kính Hệ số truyền qua, hệ số phản xạ và hệ số hấp thụ của một lớp vật liệu có thể đ−ợc xác định nh− sau : Đối với thành phần vuông góc của bức xạ: ( ) ( ) ( ) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ − − + −=− −= ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 a a a a Dr r r rD Dr rDD ( ) ( ) ( )⊥⊥⊥ ⊥⊥ ⊥⊥ +=− −+= DDr Dr rDrrR a a a .1 .1 .1 2 22 ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − −−= ⊥⊥ a a Dr rDA .1 1 1 Thành phần song song của bức xạ cũng đ−ợc xác định bằng các biểu thức t−ơng tự. Đối với bức xạ tới không phân cực, các tính chất quang học đ−ợc xác định bằng trung bình cộng của hai thành phần này. Đối với các bộ thu NLMT thực tế, Da th−ờng lớn hơn 0,9 và r ≈ 0,1. Vì vậy từ ph−ơng trình trên ta có giá trị D⊥ ≈ 1 (t−ơng tự D// ≈ 1). 2.3.5. Hệ số truyền qua đối với bức xạ khuếch tán Do bức xạ khuếch tán là vô h−ớng nên về nguyên tắc l−ợng bức xạ này truyền qua kính có thể đ−ợc xác định bằng cách tích phân dòng bức xạ theo tất cả các góc tới. Tuy nhiên do sự phân bố góc của bức xạ khuếch tán nói chung 35 không thể xác định đựơc nên khó xác định biểu thức tích phân này. Nếu bức xạ khuếch tán đến không phụ thuộc góc tới thì có thể tính toán đơn giản hóa bằng cách định nghĩa một góc t−ơng đ−ơng đối với bức xạ có cùng hệ số truyền qua nh− tán xạ. Đối với một khoảng khá rộng các điều kiện tính toán thì góc t−ơng đ−ơng này là 600. Nói cách khác, trực xạ với góc tới 600 có cùng hệ số truyền qua nh− bức xạ khuếch tán đẳng h−ớng. Hình 2.12 là quan hệ giữa góc tới hiệu quả của bức xạ tán xạ đẳng h−ớng và bức xạ phản xạ từ mặt đất với các góc nghiêng khác nhau của bộ thu. Có thể xác định gần đúng quan hệ này bằng biểu thức toán học sau: - Đối với bức xạ phản xạ từ mặt đất: θhq = 90 - 0,5788β + 0,002693β2 - Đối với bức xạ khuếch tán: θhq = 59,7 - 0,1388β + 0,001497β2 55 60 65 70 75 80 85 90 Bức xạ phản xạ từ mặt đất Bức xạ khuếch tán từ bầu trời θ hq β G óc tớ i h iệ u qu ả, Hình 2.12. Góc tới hiệu quả của tán xạ đẳng h−ớng và bức xạ phản xạ từ mặt đất trên mặt phẳng nghiêng. 36 2.3.6. Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ (DA) Tích số DA của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ đ−ợc xem nh− ký hiệu biểu diễn tính chất của một tổ hợp bộ thu và kính (DA). Trong số bức xạ xuyên qua kính và tới bề mặt bộ thu, một phần lại bị phản xạ trở lại hệ thống kính. Tuy nhiên, không phải tất cả l−ợng bức xạ này bị mất đi mà một phần lớn trong số đó lại đ−ợc phản xạ trở lại bộ thu nhờ hiệu ứng lồng kính (nh− biểu diễn trong hình 2.13), trong đó D là hệ số truyền qua của hệ thống kính và A là hệ số hấp thụ của bề mặt bộ thu. Nh− vậy trong số năng l−ợng tới, DA là phần sẽ đ−ợc bộ thu hấp thụ, còn (1-A)D là phần bị phản xạ trở lại hệ thống kính che. Sự phản xạ này đ−ợc giả thiết là khuếch tán và nh− vậy phần năng l−ợng (1- A)D tới tấm phủ là bức xạ khuếch tán và (1- A).D.Rd là phần đ−ợc phản xạ trở lại bề mặt bộ thu. Đại l−ợng Rd là hệ số phản xạ của hệ thống kính đối với bức xạ khuếch tán từ bề mặt bộ thu và có thể xác định từ ph−ơng trình Rd = Da (1-Dr) = Da - D nh− độ chênh lệch giữa Da và D ở góc tới 60 0. Nếu hệ thống kính gồm 2 lớp (hay nhiều lớp) thì Rd sẽ hơi khác so với độ phản xạ khuếch tán của bức xạ tới. Sự phản xạ nhiều lần đối với bức xạ khuếch tán sẽ tiếp tục để cho phần năng l−ợng tới đ−ợc hấp thụ có trị số: ( ) ( )[ ] ( )∑ ∞ = −−=−= 0 111n d n d RA DARADADA DΑ DΑ(1-Α)R 22 D (1-Α)D (1-Α)DR (1-Α) DR (1-Α) DR2 2 DΑ(1-Α) R 2d d d d d Bức xạ mặt trời đến Hệ thống lớp kính Bề mặt hấp thụ Hình 2.13. Quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính 37 Nói khác đi, sẽ có (DA) phần năng l−ợng bức xạ truyền tới đ−ợc bề mặt hấp thụ bộ thu. Trong thực tế A khá lớn và Rd khá nhỏ nên một cách gần đúng ng−ời ta th−ờng xác định: (DA) = 1,01 . D . A Do D và A phụ thuộc góc tới θ nên đ−ơng nhiên tích số (DA) cũng phụ thuộc góc tới θ. Để xác định quan hệ giữa (DA) và θ có thể sử dụng đồ thị ở hình 2.14, trong đó (DA)n là tích số (DA) ứng với tr−ờng hợp tia tới vuông góc với bề mặt bộ thu (θ = 0). 2.3.7. Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ đ−ợc của bộ thu Năng l−ợng bức xạ mặt trời đ−ợc bộ thu hấp thụ gồm 3 thành phần chính: trực xạ, tán xạ, phản xạ của mặt đất. Với bộ thu đặt nghiêng một góc β ta có tổng bức xạ mặt trời hấp thụ của bộ thu nh− sau: ( ) ( ) ( )( ) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= 2 cos1 2 cos1 ββ gdbdddbbb DAEERDAEDABES Eb, Ed là c−ờng độ bức xạ trực xạ và tán xạ, 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 n θ ( )o Số lớp kính 1 2 3 4 (DΑ) (DΑ) Hình 2.14. Đ−ờng cong (DA)/(DA)n của bộ thu có 1,2,3,4 lớp kính. 38 Bb là tỷ số giữa bức xạ trực xạ lên mặt phẳng nghiêng và lên mặt phẳng nằm ngang, (1+cosβ)/2 và (1-cosβ)/2 là hệ số góc của bộ thu đối với t−ơng ứng bầu trời và mặt đất, (DA)b, (DA)d, (DA)g là tích số hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ t−ơng ứng đối với trực xạ, tán xạ và phản xạ từ mặt đất. 2.4. Cân bằng nhiệt và nhiệt độ cân bằng của vật thu bức xạ mặt trời Nhióỷt õọỹ cỏn bàũng τ cuớa vỏỷt thu bổùc xaỷ màỷt trồỡi laỡ nhióỷt õọỹ ọứn õởnh trón bóử màỷt vỏỷt, khi coù sổỷ cỏn bàũng giổợa cọng suỏỳt bổùc xaỷ vỏỷt hỏỳp thuỷ õổồỹc vaỡ cọng suỏỳt nhióỷt phaùt tổỡ vỏỷt ra mọi trổồỡng. Nhióỷt õọỹ cỏn bàũng chờnh laỡ nhióỷt õọỹ lồùn nhỏỳt maỡ vỏỷt coù thóứ õaỷt tồùi sau thồỡi gian thu bổùc xaỷ màỷt trồỡi õaợ lỏu, khi ∆U cuớa vỏỷt = 0. Nhióỷt õọỹ cỏn bàũng τ cuớa vỏỷt thu bổùc xaỷ màỷt trồỡi laỡ nhióỷt õọỹ ọứn õởnh trón bóử màỷt vỏỷt, khi coù sổỷ cỏn bàũng giổợa cọng suỏỳt bổùc xaỷ vỏỷt hỏỳp thuỷ dổồỹc vaỡ cọng suỏỳt nhióỷt phaùt tổỡ vỏỷt ra mọi trổồỡng. Ta seợ lỏỷp cọng thổùc tờnh nhióỷt õọỹ cỏn bàũng T cuớa vỏỷt V coù dióỷn tờch xung quanh F, hóỷ sọỳ hỏỳp thuỷ A, hóỷ sọỳ bổùc xaỷ ε õàỷt trong chỏn khọng caùch màỷt trồỡi mọỹt khoaớng r coù dióỷn tờch hổùng nàừng Ft, laỡ hỗnh chióỳu cuớa F lón màỷt phàúng vuọng goùc tia nàừng, hay chờnh laỡ dióỷn tờch “caùi boùng” cuớa V. Phổồng trỗnh cỏn bàũng nhióỷt cho V coù daỷng: Cọng suỏỳt do V hỏỳp thuỷ = Cọng suỏỳt phaùt bổùc xaỷ tổỡ V. Hay: A.Et.Ft = E.F → A.σ0.T04(D/2r)2.Ft = ε.σ0.T04 F . Suy ra: T(r, Ft, F, A, ε) = 4 1 2 1 0 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ F AF r DT tε , [K] Ft MÀÛT TRÅèI D, To T, F, A, ε r Ft(τ) F, V, A, C, ρ, ε t(τ) E(τ) tf α MT Hỗnh 2.15. Xaùc õởnh T vaỡ t (τ) 39 Nóỳu V laỡ vỏỷt xaùm, coù A = ε, thỗ T(r, Ft, F) = 4 1 2 1 0 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ F F r DT t , [K] Nóỳu V laỡ vỏỷt xaùm hỗnh cỏửu, coù Ft/F=1/4, thỗ T(r) = r DT02 1 , [K] Nóỳu vỏỷt V coù thọng sọỳ (ρ, C, ε, A, F, V) õàỷt trong khờ quyóứn nhióỷt õọỹ tf, toaớ nhióỷt phổùc hồỹp hóỷ sọỳ α, thỗ phổồng trỗnh cỏn bàũng nhióỷt trong thồỡi gian dτ cho V la ỡ: δQA = dU + δQα hay A.En.sin(ω.τ).Ft(τ).dτ = ρ.V.C.dt + α.F.(t - tf) .dτ coù daỷng )sin()( ωττρρ α τ t m F VC AE VC Ft d dt =+ Khi bióỳt luỏỷt thay õọứi dióỷn tờch thu nàng Ft(τ), coù thóứ giaới phổồng trỗnh vi phỏn vồùi õióửu kióỷn õỏửu t(τ = 0) = tf õóứ tỗm haỡm bióỳn õọứi t(τ) cuớa nhióỷt õọỹ vỏỷt theo thồỡi gian. 2.5. Đo c−ờng độ bức xạ mặt trời. Ngoài ph−ơng pháp xác định c−ờng độ bức xạ mặt trời tại một điểm bất kỳ dựa trên vị trí địa lý (độ cao mặt trời trời) nh− trên, trong thực tế ng−ời ta đã chế tạo các dụng cụ đo c−ờng độ bức xạ mặt trời (pyrheliometer, actinometer - đo bức trực xạ, và pyranometer, Solarimeter- đo tổng xạ ). Trực xạ kế - Pyrheliometer Nhật xạ kế - Pyranometer Đầu đo - Sensor