21 quyóứn, tờnh õọỳi vồùi vồùi 1m 2 bóử mỷt õỷt vuọng goùc vồùi tia bổùc xaỷ, õổồỹc tờnh theo cọng thổù : qCT DT = _ .(/ ) 0 4 100 õỏy DT - hóỷ sọỳ goùc bổùc xaỷ giổợa traùi õỏỳt vaỡ mỷt trồỡi DT = 2 4/ - goùc nhỗn mỷt trồỡi vaỡ 32 nhổ hỗnh 2.2 C 0 = 5,67 W/m 2 .K 4 - hóỷ sọỳ bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi T 5762 o K -nhióỷt õọỹ bóử mỷt mỷt trồỡi (xem giọỳng vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi) Vỏỷy 4 2 100 5762 .67,5. 4 60.360 32.14,3.2 =q 1353 W/m 2 32' 149 500 000 km 1.7% Mỷt trồỡi Traùi õỏỳt D = 1 390 000 km D'= 12 700 km Hỗnh 1.2 : Goùc nhỗn mỷt trồỡi Do khoaớng caùch giổợa traùi õỏỳt vaỡ mỷt trồỡi thay õọứi theo muỡa trong nm nón cuợng thay õọứi do õoù q cuợng thay õọứi nhổng õọỹ thay õọứi naỡy khọng lồùn lừm nón coù thóứ xem q laỡ khọng õọứi vaỡ õổồỹc goỹi laỡ hũng sọỳ mỷt 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 nng lổồỹng õổồỹc truyóửn trổỷc tióỳp tồùi traùi õỏỳt. ỏửu tión ọxy phỏn tổớ bỗnh thổồỡng O 2 phỏn ly thaỡnh ọxy nguyón tổớ O, õóứ phaù vồợ lión kóỳt phỏn tổớ õoù, cỏửn phaới coù caùc photon bổồùc soùng ngừn hồn 0,18àm, do õoù caùc photon (xem bổùc xaỷ nhổ caùc haỷt rồỡi raỷc - photon) coù nng 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. Goùc nhỗn mỷt trồỡi. Giỏo trỡnh hỡnh thnh nguyờn lý ng dng h s gúc phõn b nng lng phúng x 22 nguyón tổớ tổồng taùc vồùi caùc phỏn tổớ ọxy khaùc õóứ taỷo thaỡnh phỏn tổớ ọzọn O 3 , 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 ngừn hồn 0,32àm, sổỷ phỏn taùch O 3 thaỡnh O 2 vaỡ O xaớy ra. Nhổ vỏỷy hỏửu nhổ toaỡn bọỹ nng lổồỹng cuớa bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi õổồỹc sổớ duỷng õóứ duy trỗ quaù trỗnh phỏn ly vaỡ hồỹp nhỏỳt cuớa O, O 2 vaỡ O 3 , 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 nng 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 mỷt 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 ngừn 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 nng lổồỹng bổùc xaỷ mỷt 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 mỷt trồỡi. Bổùc xaỷ mỷt trồỡi khi õi qua khờ quyóứn coỡn gỷp 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 nng lổồỹng bổùc xaỷ mỷt trồỡi truyóửn tồùi bóử mỷt traùi õỏỳt trong nhổợng ngaỡy quang õaợng (khọng coù mỏy) ồớ thồỡ i õióứm cao nhỏỳt vaỡo khoaớng 1000W/m 2 hỗnh 2.3. Yóỳu tọỳ cồ baớn xaùc õởnh cổồỡng õọỹ cuớa bổùc xaỷ mỷt trồỡi ồớ mọỹt õióứm naỡo õoù trón traùi õỏỳt laỡ quaợng õổồỡng noù õi qua. Sổỷ mỏỳt maùt nng lổồỹng trón quaợng õổồỡng õoù gừn 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 mỷt phúng quyợ õaỷo cuớa noù quanh mỷt trồỡi gỏy ra. Goùc nghióng vaỡo khoaớng 66,5 o 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 mỷt trồỡi gỏy ra nhổợng sổỷ dao õọỹng quan troỹng vóử õọỹ daỡi ngaỡy vaỡ õóm trong nm. Phỏn bọỳ cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ õồn saùc E 0 () cuớa mỷt trồỡi õổồỹc xaùc õởnh theo õởnh luỏỷt Planck, coù daỷng: e C E T C 1 2 5 1 0 . = Dióỷn tờch phờa dổồùi õổồỡng cong seợ mọ taớ cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn phỏửn E 0 cuớa Mỷt trồỡi. Phỏửn cọng suỏỳt mang tia saùng (AS) thỏỳy õổồỹc laỡ: E AS = == 0 00 10.8,0 10.4,0 0 5,0)(5,0)( 6 6 EdEdE E 0 õaỷt cổc trở taỷi m = 2,98.10 -3 /T 0 = 0,5àm vaỡ E 0 max = E 0 ( m ,T 0 ) = 8,3.10 13 W/m 3 Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn phỏửn: E 0 = 0 .T 0 4 = 6,25.10 7 W/m 2 Cọng suỏỳt bổùc xaỷ toaỡn phỏửn cuớa Mỷt trồỡi: Q 0 = E 0 .F = .D 2 . 0 .T 0 4 = 3,8.10 26 W. Cọng suỏỳt naỡy bũng 4.10 13 lỏửn tọứng cọng suỏỳt õióỷn toaỡn thóỳ giồùi hióỷn nay, vaỡo khoaớg P = 10 13 W. E o W/m TN AS HN VT 83 80 60 40 20 0 0,02 0,4 0,5 0,8 400 50%E o E o à H.8 - Phỏn bọỳ E ( ) cuớa Mỷt trồỡi o Hỗnh 2.4. Phỏn bọỳ E 0 () cuớa mỷt trồỡi 24 2.2. Phơng pháp tính toán năng lợng bức xạ mặt trời Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ mỷt trồỡi trón mỷt õỏỳt chuớ yóỳu phuỷ thuọỹc 2 yóỳu tọỳ: goùc nghióng cuớa caùc tia saùng õọỳi vồùi mỷt phúng bóử mỷt 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 mỷt trồỡi (Goùc giổợa phổồng tổỡ õióứm quan saùt õóỳn mỷt trồỡi vaỡ mỷt phúng nũm ngang õi qua õióứm õoù). Yếu tố cơ bản xác định cờng độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đờng nó đi qua. Sự mất mát năng lợng trên quãng đờng 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 phơng trình sau: E ng = E o (1+0, 033cos 365 360n ), W/m 2 trong đó, E ng là bức xạ ngoài khí quyển đợc 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 lợng khí quyển theo phơng tia bức xạ truyền qua và khối lợng khí quyển theo phơng 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 z là 60 0 . Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-70 0 có thể xác định gần đúng m =1/cos z . Còn đối với các góc z >70 0 thì độ cong của bề mặt trái đất phải đợc đa vào tính toán. Riêng đối với trờng hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m =0. - Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận đợc khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đây là dòng bức xạ có hớng và có thể thu đợc ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ). - Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận đợc sau khi hớng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tợng, tán xạ còn đợc 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, thờng gọi là bức xạ cầu trên bề mặt). 25 - Cờng độ bức xạ (W/m 2 ): là cờng độ năng lợng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tơng ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cờng độ bức xạ cũng bao gồm cờng độ bức xạ trực xạ E trx , cờng độ bức xạ tán xạ E tx và cờng độ bức xạ quang phổ E qp . - Năng lợng bức xạ (J/m 2 : là năng lợng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, nh vậy năng lợng bức xạ là một đại lợng bằng tích phân của cờng độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thờng 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 ngời quan sát. Giờ mặt trời là thời gian đợc 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 đợc xác định theo các góc đặc trng sau (hình 2.5): - Góc vĩ độ : vị trí góc tơng ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đờng xích đạo trái đất, với hớng phía bắc là hớng dơng. - 90 0 90 0 - Góc nghiêng : góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phơng nằm ngang. 0 180 0 ( > 90 0 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hớng xuống phía dới). - Góc phơng vị của bề mặt : góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đờng kinh tuyến. Góc = 0 nếu bề mặt quay về hớng chính nam, lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông. -180 0 180 0 26 - Góc giờ : góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của kinh tuyến địa phơng do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị 15 0 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+). - Góc tới : góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó. - Góc thiên đỉnh z : góc giữa phơng thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới. Trong trờng hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới . - Góc cao mặt trời : góc giữa phơng nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ của góc thiên đỉnh. - Góc phơng vị mặt trời s : góc lệch so với phơng 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 dơng (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây. - Góc lệch : vị trí góc của mặt trời tơng ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phơng) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với hớng phía bắc là hớng dơng. -23,45 0 23,45 0 Mặt trời z z z N B Đ T Thiên đỉnh Pháp tuyến từ mặt phẳng nằm ngang Hình 2.5. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 27 Góc lệch có thể tính toán theo phơng trình của Cooper: = 23,45.sin(360 365 284 n + ) trong đó n là thứ tự ngày của 1 năm . Quan hệ giữa các loại góc đặc trng ở trên có thể biểu diễn bằng phơng trình giữa góc tới và các góc khác nh sau: cos = sin.sin. cos - sin.cos. sin.cos + cos.cos.cos.cos + + cos.sin.sin.cos.cos + cos.sin.sin.sin và: cos = cos z .cos + sin z .sin.cos( s - ) Đối với bề mặt nằm ngang góc tới chính là góc thiên đỉnh của mặt trời z , giá trị của nó phải nằm trong khoảng 0 0 và 90 0 từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời ở thiên đỉnh ( = 0): cos z = cos.cos.cos + sin.sin 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 đợc xác định theo phơng trình: zongo n EE cos. 365 .360 cos.033.01 . += Thay giá trị cos z vào phơng trình trên ta có E o.ng tại thời điểm bất kỳ từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn: () sin.sincos.cos.cos 365 360 cos.033.01 . + += n EE ongo Tích phân phơng trình này theo thời gian từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn (6h đến 18h mặt trời) ta sẽ đợc E o. ngay là năng lợng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày: + += sin.sin 180 sin.cos.cos 365 360 cos.033.01 3600.24 . s s o ngayo n E E với s là góc giờ mặt trời lặn ( 0 ) (tức là góc giờ khi z = 90 0 ) tgtg s . cos.cos sin.sin cos == 28 Ngời ta cũng xác định năng lợng bức xạ ngày trung bình tháng E oth bằng cách thay giá trị n và trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày trung bình của tháng và độ lệch tơng ứng. Năng lợng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể xác định khi phân tích phơng trình 1.9 trong khoảng thời gian giữa các góc giờ 1 và 2 : () () + += sin.sin 180 sinsincos.cos 365 360 033.01 3600112 12 21. n E x E ogioo 2.2.3. Tổng cờng 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. Hớng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lợng 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 hớng: phần tán xạ nhận đợc 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 đờng chân trời. 29 Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ R g (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 R g = 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần lợt 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 E b , 3 thành phần tán xạ E d1 , E d2 , E d3 và bức xạ phản xạ từ các bề mặt khác lân cận E r : E = E b + E d1 + E d2 + E d3 + E r Tuy nhiên việc tính toán các đại lợng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy ngời ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng hớng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất là nh nhau trong mọi trờng hợp không phụ thuộc hớng của bề mặt. Nh vậy tổng xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ E b .B b và tán xạ trên mặt nằm ngang E d . Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc so với phơng nằm ngang sẽ có tổng xạ bằng tổng của 3 thành phần: + + += 2 cos1 . 2 cos1 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 : E là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang, (1 + cos)/2 = F cs là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời (1 - cos)/2 = F cg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất R g là hệ số phản xạ bức xạ của môi trờng xung quanh. Và ta có tỷ số bức xạ B b của bề mặt nghiêng góc so với bề mặt ngang: zzn n bng n b E E E E B cos cos cos. cos. === E n là cờng độ bức xạ mặt trời tới theo phơng bất kỳ, E bng là bức xạ mặt trời theo phơng vuông góc với mặt nằm ngang, E bngh là bức xạ mặt trời theo phơng vuông góc với mặt phẳng nghiêng, cos và cos z đợc xác định bởi các phơng trình trên và các góc đợc 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 Hình 2.7. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng. z E bng E n E bngh n E Hình 2.8. Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm n g an g và n g hiên g . . 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 : E là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang, (1 + cos)/2 = F cs là hệ số góc của bề. (1 - cos)/2 = F cg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất R g là hệ số phản xạ bức xạ của môi trờng xung quanh. Và ta có tỷ số bức xạ B b của bề mặt nghiêng góc so với bề mặt ngang:. phơng trình trên và các góc đợc 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 Hình 2.7. Các thành