tong quan ve nang luong mat troi pdf

    !"#$%& "#$%& Mặt Trời là một khối khí hình cầu cực nóng, có đường kính là D= 1,39.10 6 km (lớn hơn nhiều so với đường kính trái đất d =1,27.10 4 km ) [1] . Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời khoảng 5778K [2] . Nhiệt độ tại tâm Mặt Trời khoảng 15.10 6 K [2] . với thành phần hoá học, chủ yếu là nguyên tố Hidrô và Hêli (tương ứng với 73,46% và 24,85% tổng khối lượng Mặt Trời), còn lại là các nguyên tố khác như Oxi, Cácbon. [3] Chúng ta cũng cần chú ý rằng, Trái Đất ở cách xa Mặt Trời, và Mặt Trời lớn hơn rất nhiều Trái Đất, nên có thể coi rằng, các tia sáng từ Mặt Trời đến Trái Đất là song song nhau, và chúng ta nhìn Mặt Trời dưới một góc 32’ Hình 1. 1. Mối liên hệ giữa Trái Đất và Mặt Trời Với những điều kiện phù hợp như vậy, phản ứng nhiệt hạch luôn luôn xảy ra tại tâm Mặt Trời: 1 H + 1 H = 2 H + e + γ 2 H + 1 H = 3 He + γ 3 He + 3 He = 4 He + 2 1 H 4 1 H  4 He + e + γ Do khối lượng của 4 hạt nhân Hidro lớn hơn của hạt Heli nên độ hụt khối lượng trong phản ứng trên là cơ chế sinh ra năng lượng : ΔE = Δm.c 2 Δm = m(H) – m(He), c = 3.10 8 m/s 2 Chúng ta lấy một ví dụ đơn giản, nếu có 1g (H) thì năng lượng giải phóng ra trong phản ứng trên cỡ 1012 J, Với khối lượng của mặt Trời khoảng, thì lượng năng lượng mà Mặt Trời sinh ra trong quá trình đốt nóng là vô cùng lớn, theo các nhà khoa học thì phải 4 đến 5 tỷ năm nữa mới hết được. Như vậy, có thể nói rằng, nguồn năng lượng mặt Trời là một nguồn năng lượng lớn nhất (gần như vô tận) và sạch nhất hiện nay mà con người có thể biết.  Năng lượng Mặt Trời truyền tới Trái Đất dưới dạng sóng điện từ có phổ rất rộng. Hình 1. 2. Phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời ở giới hạn trên của khí quyển [4] Trên hình 1.1 là phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời ở giới hạn trên của khí quyển. Phần phổ với bước sóng từ 0,1 đến 4μm bao gồm 99% toàn bộ năng lượng bức xạ mặt trời. Bức xạ với bước sóng nhỏ hơn hay lớn hơn kể cả những tia rơnghen và sóng vô tuyến điện chỉ chiếm 1% năng lượng còn lại. Phần ánh sáng thấy được chiếm khoảng phổ hẹp có bước sóng từ 0,4 đến 0,75μm. Song ở đây bao gồm gần một nửa toàn bộ năng lượng của bức xạ mặt trời (44%). Các tia hồng ngoại (hồng ngoại gần và hồng ngoại xa) chiếm năng lượng trên 48%, còn lại 7% năng lượng là tia cực tím, các tia khác chỉ chiếm dưới 1%.  !" #  Mật độ dòng năng lượng BXMT tới bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ ở ngay ngoài lớp khí quyển, tính trên 1m 2 , được tính theo công thức : I t = I m (R/b) 2 (1.1) R = 0,695.10 6 là bán kính Mặt Trời, b = 1,496.10 8 km là khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trời I m là cường độ bức xạ ở bề mặt Mặt Trời, được tính theo định luật Stefan – Bolzman : I m = ισT 4 (1.2) ι hệ số phát xạ của vật, do Mặt Trời có thể coi là vật đen tuyệt đối nên coi ι =1 σ = 5,67.10 -8 W/m 2 K 4 là hằng số Stefan – Bolzman T = 5778K , nhiệt độ tại bề mặt Mặt Trời Thay số ta tính được I m = 1364 W/m 2 Giá trị này không chịu ảnh hưởng của khí quyển, mà chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời nên được gọi là hằng số Mặt Trời. Hằng số mặt trời là năng lượng bức xạ đo được trong không gian nằm ngoài lớp khí quyển bao quanh trái đất, trong một đơn vị thời gian, trên một đơn vị diện tích bề mặt vuông góc với tia bức xạ mặt trời. I sc = 1364 W/m 2      $%&'() # *+, #  # -( .&'() # *+, #  # -( Trái Đất quay quanh Mặt Trời theo một quỹ đạo elip và Mặt Trời nằm trên một trong những tiêu điểm của quỹ đạo này (Hình 1.2 ). Trên hình biểu diễn vị trí của Trái Đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh Mặt Trời trong một năm. Vào đầu tháng 1, Trái Đất gần Mặt Trời nhất (với khoảng cách là 147,1 triệu km) vào đầu tháng 7 Trái Đất xa Mặt Trời nhất (với khoảng cách là 152,1 triệu km). [2] Hình 1. 3. Vị trí của Trái Đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh Mặt Trời trong một năm Ngoài ra, khi chuyển động quay xung quanh Mặt Trời, thì Trái Đất cũng tự quay xung quanh trục của nó.Trục quay của Trái Đất không thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo mà nghiêng một góc 23,45 0 . Khi Trái Đất quay quanh Mặt Trời được một vòng thì nó cũng tự quay xung quanh mình 365,25 vòng. Vì có sự chuyển động giữa mặt trời và Trái Đất,và sự tự quay của Trái Đất nên cường độ bức xạ NLMT bên ngoài khí quyển thay đổi chút ít, và có thể xác định theo công thức : I E = I sc (1+0,033cos  n) (1.3) n : ngày trong năm, n=1 vào ngày 1/1 I E : CĐBXMT ngay bên ngoài khí quyển, được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm. Isc = 1364W/m 2 hằng số Mặt Trời '()(*+,-(./0 Năng lượng bức xạ Mặt Trời tới trên Mặt Đất phụ thuộc vào hai 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 cách khác là phụ thuộc vào vị trí của Mặt Trời so với mặt quan sát . Trong quá trình tính toán, ta cần định nghĩa một số khái niệm sau : - Hệ số khối khí AM : là tỉ số giữa độ dài của tia Mặt Trời khi đi qua lớp khí quyển tái Đất và độ dày của lớp khí quyển theo phương thẳng đứng (khi Mặt Trời ở thiên đỉnh – lúc giữa trưa) - Trực xạ : là BXMT chiếu đến bề mặt Trái Đất khi không bị các thành phần cảu khí quyển phát tán. Đây là dòng bức xạ có định hướng. - Tán xạ : Là BXMt chiếu đến bề mặt Trái Đất sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của lớp khí quyển. - Tổng xạ : Là tổng của trực xạ vá tán xạ trên một bề mặt. - Cường độ bức xạ (W/m 2 ) : Là cường độ NLBXMT đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ I b cũng bao gồm CĐBX trực xạ, CĐBX tán xạ I d - Năng lượng bức xạ (J/m 2 ) : Là NLBX truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian. Như vậy, NLBX là một đại lượng bằng tích phân của CĐBX trong một khoảng thời gian nhất định, thường là một giờ hay một ngày. - Giờ Mặt Trời : Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của Mặt Trời trên bầu trời, với qui ước giờ Mặt Trời chính ngọ là thời điểm Mặt Trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát. Hình 1.4 thể hiện quan hệ hình học giữa một mặt phẳng định hướng bất kỳ trrn mặt đất và tia bức xạ của Mặt Trời truyền tới, hay nói cách khác, nó thể hiện vị trí của Mặt Trời so với mặt phẳng đó. - Góc giờ ω : là góc xác định vị trí Mặt Trời trên bầu trời ở thời điểm quan sát. Nó là số đo góc của thời gian và có tỉ lệ tương đương 15 0 trong 1h. Góc giờ ω cũng biến đổi từ -180 0 đến +180 0 , và được quy ước tại 12 giờ trưa, goc ω = 0 0 . Góc giờ sẽ có giá trị (+) vào bưổi sáng và dấu (-) vào buổi chiều. - Góc vĩ tuyến φ hay còn gọi là vĩ độ của một địa phương nào đó là góc tạo bởi bán kính của Trái Đất đi qua địa phương đó và hình chiếu của nó trên mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Góc φ có giá trị từ -90 0 (điểm cực Nam) đến +90 0 (điểm cực Bắc). - Góc lệch δ là góc nối giữa đường nối tâm của mặt trời với tâm Trái Đất và hình chiếu của nó trên mặt phẳng xích đạo. Do Trái Đất tự quay xung quanh trung nghiêng (trục Bắc Nam) của nó một góc 23,45 0 nên góc lệch δ sẽ có giá trị từ +23,45 0 vào ngày Hạ Chí 21/06 đến -23,45 0 vào ngày Đông Chí 21/12. Vào một ngày bất kì, góc lệch được tính theo công thức Cooper : δ(đo bằng độ) = 23,45 sin [ 365 360 (284 +n) ] (1.4) Trong đó n là số ngày của năm, n = 1 vào ngày 01/01 - Góc Azumith γ hay còn gọi là góc phương vị của mặt phẳng nghiêng : Là góc nằm trong mặt phẳng nằm ngang giữa hướng Nam và hình chiếu của pháp tuyến của mặt quan sát trên mặt ngang. Góc γ có thể biến đổi từ -180 0 đến +180 0 . Góc γ nhận dấu (+) nếu hình chiếu pháp tuyến của mặt quan sát nằm ở bên phải hướng Nam, và sẽ nhận dấu (-) nếu hình chiếu pháp tuyến nằm ở bên trái hướng Nam Hình 1. 4. Các góc tương quan giữa tia sáng tới trên mặt phẳng quan sát - Góc nghiêng β là góc giữa mặt quan sát và mặt nằm ngang, và biến đổi từ 0 0 đến 180 0 . - Góc tới θ : là góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến cảu bề mặt đó. - Góc đỉnh θ Z : Là góc giữa pháp tuyến của mặt phẳng nằm ngang và tía bức xạ tới. - Góc độ cao của Mặt Trời α : Góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ tới, nó chính là góc phụ của góc đỉnh. - Góc phương vị Mặt Trời γ S Là góc hợp bởi hình chiếu của tia tới trên mặt phẳng nằm ngang và phương chính Nam, nó nhận dấu (+) khi Mặt Trời ở phía Đông và nhận dấu (-) khi Mặt Trời ở phía Tây. Quan hệ giữa các góc trên có thể biểu diễn bằng phương trình : cosθ = sinδ.sinφ.cosβ – sinδ. cosφ. sinβ.cosγ + cosδ.cosφ.cosβ.cosω + cosδ.sinφ.sinβ.cosγ.cosω + cosδ.sinβ.sinγ.sinω (1.5) Và cosθ = cosθ Z . cosβ + sinθ Z . sinβ.cos(γ S - γ) (1.6) Đối với bề mặt nằm ngang, góc tới θ cũng chính là góc đỉnh của mặt trời θ z . Như vậy, ta cũng có : cosθ z = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ (1.7) Từ phương trình này, ta thấy, khi Mặt Trời lặn, θ z = +90 0 δϕ−= δϕ δϕ −=ω tg.tg cos.cos sin.sin cos s (1.8) Từ đó, ta có số giờ nắng trung bình trong ngày N : ( ) δϕ−= − tg.tgcos 15 2 N 1 (1.9) CĐBXMT I 0E tới bề mặt nằm ngang ngay bên ngoài khí quyển sẽ được xác định theo công thức : I 0E = I E .cosθ z (1.10) với I E được tính theo phương trình (1.3) I 0E = I sc (1+0,033cos n).cosθ z (1.11) Hay I 0E = I sc (1+0,033cos 360.n/365).( cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ) (1.12) Gọi I 0 là CĐBXMT tới bề mặt Trái Đất, thì ta sẽ có : I 0 = f * . I 0E (1.13) với f * có thể là một hệ số, hoặc có thể là một biểu thức phức tạp mà ta sẽ giải thích sau. Như vậy, có thể nói rằng, năng lượng bức xạ Mặt Trời tới trên bề Mặt Trái Đất phụ thuộc vào các góc, tức là phụ thuộc vào vị trí của Mặt Trời và thời gian quan sát, hay nói cách khác là phụ thuộc vào không gian và thời gian. Khi tích phân phương trình (1.10) trên theo thời gian, từ lúc mặt Trời mọc đến khi mặt Trời lặn, ta sẽ thu được tổng năng lượng bức xạ trong một ngày trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày.       δϕ πω +ωδϕ       + π = sin.sin 180 cos.cos.cos 365 n360 cos033.01 I3600.24 H E0 E0 (1.14) /0*+1234-&'-( 12)('34536,7# Khí quyển Trái Đất là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất. Nó gồm có nitơ (78,084% theo thể tích) và ôxy (20,946%), với một lượng nhỏ agon (0,934%), điôxít cacbon (dao động, khoảng 0,035%), hơi nước và một số chất khí khác. Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái Đất bằng cách hấp thụ các bức xạ tia cực tím của mặt trời và tạo ra sự thay đổi về nhiệt độ giữa ngày và đêm. &8# !(72#(9:#;<=./0>?.<=@"##$%&)(&3012)('345 36,7#ABC#1&&6@. %,D:2(+#(04,+&:EF Khi đi qua khí quyển bức xạ mặt trời bị các chất khí trong khí quyển và các tạp chất khuếch tán một phần và chuyển thành tán xạ. Một phần bức xạ mặt trời được các phân tử chất khí khí quyển và tạp chất hấp thụ và biến nó thành nhiệt đốt nóng khí quyển. Phần trực xạ không bị khuếch tán và hấp thụ trong khí quyển đi thẳng tới mặt đất, một phần bị mặt đất phản hồi còn phần lớn bị mặt đất hấp thụ và đốt nóng nó; một phần tán xạ cũng tới mặt đất, trong đó một phần lại phản hồi và một phần đốt nóng mặt đất. Một phần khác của tán xạ đi lên phía trên và mất vào khoảng không gian giữa các hành tinh. Do quá trình hấp thụ và khuếch tán bức xạ trong khí quyển, trực xạ tới mặt đất đã biến đổi so với khi tới giới hạn trên của khí quyển. Cường độ của bức xạ giảm đi, thành phần phổ của nó cũng biến đổi, do những tia bức xạ có bước sóng khác nhau bị khí quyển hấp thụ và khuếch tán khác nhau. Ngoài sự hấp thụ, trực xạ trên đường xuyên qua khí quyển còn giảm yếu do bị khuếch tán và sự giảm yếu này lớn hơn sự giảm yếu do hấp thụ. Quá trình khuếch tán là sự biến đổi từng phần trực xạ có một hướng lan truyền nhất định thành bức xạ lan theo mọi hướng. Hình 1. 5. Tương tác của BXMT với khí quyển ;.#(G(2(H>?.<=#$I@"#,7#A#$J.<=:#;K(&L<=:#+<=: 2(6<=F Tổng BXMT tới một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai thành phần là trực xạ, và tán xạ. Nhưng thành phần tán xạ lại khá phức tạp. Hướng của các tia tán xạ truyền tới bề mặt quan sát phụ thuộc thành phần các phân tử khí trong khí quyển, hay nói cách khác, chính là độ trong suốt của khí quyển, mà đại lượng này lại thay đổi khá nhiều. tuy nhiên, chúng ta có thể coi tán xạ là tổng hợp của ba thành phần :  Thành phần tán xạ đẳng hướng : Phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời.  Thành phần tán xạ quanh tia : Phần tán xạ bị phát tán của BXMT xung quanh các tia trực xạ.  Thành phần tán xạ chân trời : Là thành phần tán xạ tập trung gần đường chân trời. Góc khếch tán của thành phần tán xạ chân trời phụ thuộc vào hệ số phản xạ của mặt đất. Ví dụ như bề mặt tuyết xốp có độ phản xạ cao, lên đến 0,7 sẽ phản xạ mạnh bức xạ Mặt Trời trở lại bầu trời và lần lượt bị phát tán và trở thành thành phần tán xạ chân trời. Đối với bề mặt nghiêng đặt trên mặt đất, thì thành phần tán xạ này lại phức tạp thêm, nó bao gồm thêm cả thành phần bức xạ phản xạ từ các bề mặt lân cận. khác. Hình 1. 6. Các thành phần tia bức xạ tới bề mặt ngang [...]... thuộc vào hướng của bề mặt quan sát Như vậy, CĐBX tới bề mặt nằm ngang sẽ là : I0 = Ib + Id (1.15) Và CĐBX tới mặt nằm nghiêng góc β so với mặt nằm ngang : I0N = IbN +IdN + IpN (1.16) Trong đó : Ib : CĐBX trực xạ tới mặt nằm ngang Id : CĐBX tán xạ tới mặt nằm ngang I0N : CĐBX tới mặt nằm nghiêng IbN : CĐBX trực xạ tới bề mặt nghiêng IpN : Thành phần bức xạ phản xạ từ mặt nền xung quanh Ước tính NLMT trên... trên mặt nghiêng được xác định theo công thức sau : rp = ρ g( 1 − cos β ) 2 (1.30) Cường độ bức xạ phản xạ : IpN = (Ib +Id)rp=(Ib+Id).ρg ( 1 − cos β ) 2 (1.31) Với ρg là hệ số phản xạ của mặt nền xung quanh Độ phản xạ của các bề mặt môi trường khác nhau thì khác nhau, ví dụ như bảng nêu độ phản xạ một số bề mặt môi trường 1.3.2.4.Tổng xạ tới trên mặt phẳng nghiêng Thay các phương trình vào phương trình,... có thể được sản xuất tại bất kỳ phần nào của thế giới, ở bất cứ đâu, ở nơi tập trung dân cư, khu công nghiệp, hay hộ gia đình nhỏ lẻ, miễn là nơi đó có nhiều ánh sáng mặt trời Một trong những lợi thế quan trọng nhất về môi trường của năng lượng mặt trời là nó là một nguồn gây ô nhiễm phi năng lượng như không có khí thải carbon dioxide hoặc các khí khác trong sản xuất điện Do các lý do nêu trên, năng . Trái Đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh Mặt Trời trong một năm Ngoài ra, khi chuyển động quay xung quanh Mặt Trời, thì Trái Đất cũng tự quay xung quanh trục của nó.Trục quay của Trái Đất. tuyến nằm ở bên trái hướng Nam Hình 1. 4. Các góc tương quan giữa tia sáng tới trên mặt phẳng quan sát - Góc nghiêng β là góc giữa mặt quan sát và mặt nằm ngang, và biến đổi từ 0 0 đến 180 0 . với mặt phẳng quỹ đạo mà nghiêng một góc 23,45 0 . Khi Trái Đất quay quanh Mặt Trời được một vòng thì nó cũng tự quay xung quanh mình 365,25 vòng. Vì có sự chuyển động giữa mặt trời và Trái Đất,và