Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời

*Bài giảng 2408004Năng lượng tái tạoGiảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam2013 – 2014, HK1ài giảng 2Ch. 2: Năng lượng mặt trời2.1. Nguồn năng lượng mặt trời Phổ mặt trờiQuỹ đạo trái đấtGóc chiếu của mặt trời vào giữa trưaVị trí mặt trời theo giờ trong ngàyPhân tích bóng che dùng sơ đồ hướng mặt trờiTính giờ mặt trời theo múi giờMặt trời mọc và lặn*Bài giảng 2Tài nguyên mặt trờiĐể tìm hiểu năng lượng mặt trời, cần tìm hiểu về mặt trờiCần biết có bao nhiêu năng lượng ánh sángCó thể dự đoán vị trí mặt trời ở thời điểm bất kỳBức xạ (insolation: incident solar radiation)Muốn xác định bức xạ trung bình mỗi ngày ở một vị tríMuốn có thể chọn vị trí và góc nghiêng hiệu quả cho các tấm pin mặt trời*Bài giảng 2Mặt trời và bức xạ vật đenMặt trời: đường kính 1,4x 106 km, công suất bức xạ 3,8.1020 MWVật đenVừa là vật phát xạ lý tưởng, vừa là vật hấp thụ lý tưởngPhát xạ lý tưởng: phát xạ nhiều năng lượng hơn vật thể thực ở cùng nhiệt độHấp thụ lý tưởng: hấp thụ toàn bộ, không phản xạ*Bài giảng 2Định luật PlanckCác bước sóng phát ra bởi vật đen phụ thuộc vào nhiệt độ của nó:l = bước sóng (mm)El = công suất phát ra trên đơn vị diện tích (W/m2-mm)T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (K)*Bài giảng 2Phổ điện từÁnh sáng thấy được có bước sóng nằm giữa 0,4 và 0,7 mm, tử ngoại ngắn hơn, hồng ngoại dài hơn.*Bài giảng 2Phổ của vật đen 15 C (288 K)Diện tích dưới đường cong = tổng công suất bức xạ*Bài giảng 2Định luật Stefan-BoltzmannTổng công suất bức xạ theo định luật bức xạ Stefan - Boltzmann:E = tổng công suất bức xạ (W)s = hằng số Stefan-Boltzmann = 5,67.10-8 W/m2-K4T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (K)A = diện tích bề mặt vật đen (m2)*Bài giảng 2Nguyên lý dịch chuyển WienBước sóng tại đó phổ bức xạ đạt cực đại:T = nhiệt độ tuyệt đối (K)l = bước sóng (mm)lmax = 0,5 mm đối với mặt trời, 5800 Klmax = 10,1 mm với trái đất (xem như vật đen), 288 K*Bài giảng 2Phổ mặt trời bên ngoài khí quyển*Bài giảng 2Tỷ số khối lượng không khíh1 = chiều dài đường đi khi thẳng góch2 = chiều dài đường đi ở góc bất kỳb = góc cao độ của tia sáng mặt trời*Bài giảng 2Phổ mặt trời trên bề mặt trái đấtm sẽ tăng khi mặt trời xuất hiện thấp hơn. Phổ màu xanh bị hao hụt nhiều đối với giá trị m cao, vì vậy mặt trời có vẻ đỏ hơn khi mọc và lặn.*Bài giảng 2Quỹ đạo trái đấtTrong một ngày, trái đất quay 360,99Trái đất quét thành mặt phẳng elip khi di chuyểnTrục trái đất nghiêng 23,45Điểm xuân phân, thuphân – ngày bằng đêm, xảy ra vào 21 tháng ba, và 21 tháng chín.Đông chí – Bắc cực nghiêng xa nhất so với mặt trờiHạ chí – Bắc cực nghiêng gần nhất so với mặt trời*Bài giảng 2Quỹ đạo trái đấtVới các ứng dụng điện mặt trời, chúng ta xem quỹ đạo của trái đất là không đổi.*Bài giảng 2Góc suy giảmGóc suy giảm d – góc tạo bởi mặt phẳng xích đạo và đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất.d thay đổi giữa 23,45Giả sử biến thiên hình sin, một năm có 365 ngày, và n=81 ứng với xuân phân, có thể xấp xỉ d theo*Bài giảng 2Vị trí của mặt trời trên bầu trờiMột cách nhìn khácDự đoán vị trí của mặt trời vào thời điểm bất kỳChọn góc nghiêng tốt nhất cho các tấm PV*Bài giảng 2Đứng bóng và góc nghiêng của bộ thuĐứng bóng – mặt trời nằm ngay trên kinh tuyến địa phươngQuy tắc vàng cho bắc bán cầu – bộ thu hướng về chính nam nghiêng 1 góc bằng vĩ độ.Khi đứng bóng, tia sáng mặt trời đập vuông góc vào bề mặt bộ thu.*Bài giảng 2Góc cao độ bN khi đứng bóngGóc cao độ khi đứng bóng bN – góc giữa mặt trời và chân trời địa phương.bN = 90 – L + dThiên đỉnh (zenith) – trục thẳng đứng tại điểm đang xét.*Bài giảng 2Ví dụ 7.2 – Góc nghiêng của module PVTìm góc nghiêng tối ưu cho module PV hướng về phía nam nằm ở Tp. HCM (vĩ độ 10,97) khi đứng bóng vào ngày 01 tháng ba.Từ bảng 7.1, ngày 01/3 có chỉ số ngày là 60.Tính ra góc suy giảm d = - 8,3 Góc cao độ là bN = 90 – 10,97 – 8,3 = 70,73Để tia sáng mặt trời vuông góc với tấm PV, cần nghiêng một góc = 90 – 70,73 = 19,27Cách tính nhanh hơn?*Bài giảng 2Vị trí của mặt trời trong ngàyVị trí được mô tả theo góc cao độ b và góc phương vị của mặt trời fs.b và fs phụ thuộc vào vĩ độ, chỉ số ngày, và thời điểm.Quy ước góc phương vị (fs) - dương vào buổi sáng khi mặt trời ở hướng đông - âm vào buổi tối khi mặt trời ở hướng tây - phương tham chiếu (cho bắc bán cầu) là chính nam Góc giờ lấy tham chiếu là đứng bóng*Bài giảng 2Góc cao độ và góc phương vị*Bài giảng 2Góc giờGóc giờ H – số độ mà trái đất phải quay thêm để mặt trời đến kinh tuyến địa phương của bạn.Nếu xem trái đất quay mỗi giờ được 15, ta cóGóc giờ H = (15/giờ)(số giờ trước khi đứng bóng)Vào lúc 11 giờ sáng, H = +15 (trái đất cần quay thêm 1 giờ nữa)Vào lúc 2 giờ chiều, H = –30*Bài giảng 2Góc cao độ và góc phương vịsin(b) = cos(L)cos(d)cos(H) + sin(L)sin(d)sin(fs) = [(cos(d)sin(H)]/cos(b)H = góc giờL = vĩ độ (tính bằng độ)Kiểm tra để xác định xem góc nhỏ hơn hay lớn hơn 90 so với hướng chính nam:nếu cos(H)  tan(d)/tan(L), thì |fs|  90,ngược lại |fs| > 90*Bài giảng 2Ví dụ 7.3 – Mặt trời ở đâu?Tìm góc cao độ và góc phương vị lúc 3 giờ chiều ở Bình Dương (vĩ độ 10,93) vào ngày hạ chí.Vào ngày hạ chí, góc suy giảm d = 23,45Góc giờ = (15)(-3) = –45sin(b) = cos(10,93)cos(23,45)cos(–45) + sin(10,93)sin(23,45) = 0,7124b = 45,43sin(fs) = cos(23,45)sin(–45)/cos(45.43) = -0,9244Chọn fs = 247,6. Tại sao?*Bài giảng 2Lược đồ quỹ đạo mặt trời để pt bóng cheTa đã biết cách xác định vị trí mặt trờiĐiều này cũng giúp xác định địa điểm nào sẽ bị bóng che vào thời điểm nào đóVẽ các góc phương vị và cao độ của cây, tòa nhà, và các vật cản khácNhững phần lược đồ quỹ đạo mặt trời bị che khuất cho biết thời điểm mà địa điểm đó sẽ bị bóng che.*Bài giảng 2Lược đồ quỹ đạo mặt trời để pt bóng che*Bài giảng 2Giờ mặt trời và giờ đồng hồHầu hết công việc của điện mặt trời liên quan đến giờ mặt trời, được đo tương đối so với đứng bóngTuy nhiên, đôi khi cần liên hệ với giờ đồng hồCần có hai điều chỉnh: điều chỉnh theo kinh độ liên quan đến múi giờ, và sự chuyển động không đều của trái đất quanh mặt trờiGiờ mặt trời lệch 4 phút cho mỗi kinh độGiờ đồng hồ có 24 múi giờ, mỗi mũi trải trên 15 kinh độ*Bài giảng 2Bản đồ múi giờ thế giới*Bài giảng 2Giờ mặt trời và giờ đồng hồQuỹ đạo elip của trái đất làm cho chiều dài của ngày thay đổi suốt nămSai lệch E giữa một ngày 24 giờ và 1 ngày mặt trời:E = 9,87sin(2B) – 7,53cos(B) – 1,5sin(B) (phút)B = 360(n - 81)/364n là chỉ số ngàyKết hợp với hiệu chỉnh kinh độ, ta cóGiờ mặt trời = Giờ đồng hồ + 4 phút/độ*(kinh tuyến giờ địa phương – kinh độ quan sát) + E (phút)*Bài giảng 2Ví dụ 7.5 – Giờ mặt trời và giờ địa phươngTìm thời điểm đứng bóng tại Boston (71,1 kinh tây) vào ngày 01/7.01/7 có chỉ số ngày n = 182 B = 360(182-81)/364 = 99.89 E = 9,87sin(2B) – 7,53cos(B) – 1,5sin(B) = –3,5 phútKinh tuyến giờ địa phương của Boston là 75, sai lệch là 75 – 71,7 và mỗi độ tương ứng với 4 phút CT = ST – 4(phút/độ)(75–71,7) – (–3,5 phút) = 11:49.9 CT = 12:49.9 EST (xét Daylight Savings)*Bài giảng 2Mặt trời mọc và lặnCó thể ước tính thời điểm mặt trời mọc và lặnBằng cách cho góc cao độ bằng 0 và giải theo góc giờHai nghiệm H ứng với hai thời điểm, dấu + cho biết mặt trời mọc, và dấu - ứng với mặt trời lặnCó khác biệt giữa điều kiện hình học và dự báo thời tiết: điều kiện hình học dựa vào tâm, còn dự báo thời tiết dựa vào đỉnh của mặt trời.*Bài giảng 2Bức xạ trực tiếp trời quangBức xạ trực tiếp IBC đi theo đường thẳng qua khí quyển đến bộ thuTán xạ IDC bị phân tán bởi các phân tử không khíPhản xạ IRC từ các bề mặt gần bộ thu*Bài giảng 2Bức xạ ngoài khí quyển I0Giá trị ban đầu để tính bức xạ trời quangI0 xuyên vuông góc với một mặt phẳng tưởng tượng bên ngoài khí quyển của trái đất.I0 phụ thuộc vào khoảng cách giữa mặt trời và trái đất và vào cường độ của mặt trờiSC = hằng số mặt trời = 1377 W/m2n = chỉ số ngàyW/m2*Bài giảng 2Bức xạ ngoài khí quyểnBức xạ sẽ bị suy giảm khi đi qua không khí, với quy luật suy giảm dạng hàm mũ.IB = Ae-kmIB = phần tia bức xạ đến được mặt đấtA = thông lượng biểu kiến ngoài khí quyểnk = độ sâu quang họcm = tỷ số khối lượng không khí*Bài giảng 2Bức xạ trên một mặt thu*Bài giảng 2Các hệ thống bám theoHầu hết các hệ thống điện mặt trời gia dụng là cố định, nhưng một số hệ thống bám theo cũng hiệu quả.Các hệ thống bám theo có thể có một trục (thường gắn đứng lên trụ) hoặc hai trục (trục ngang và trục dọc).Con số ước tính cho phần thu thêm của hệ thống bám theo là khoảng 20% cho một trục, và 25 đến 30% cho hệ thống có hai trục.*Bài giảng 2Bức xạ hàng tháng và hàng nămVới một hệ thống cố định, tổng năng lượng thu được thường không nhạy cảm với góc nghiêng, nhưng vẫn có sự thay đổi về thời điểm nhiều năng lượng được tạo ra.*Bài giảng 2Bức xạ hàng năm trên thế giới