Xác định cường độ bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển Extra Terrestrial Solar RadiationCó giá trị khá ổn định ứng với từng vị trí khảo sát cụ thể và có phương rất rõ ràng, trong trường hợp này

CHƯƠNG 3

XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ MẶT TRỜI

Một cách tổng quát, có thể chia bức xạ mặt trời ra thành 2 loại:

 Extra Terrestrial Solar Radiation và Terrestrial Solar Radiation.

3.1 Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển (Extra Terrestrial Solar Radiation)

Có giá trị khá ổn định ứng với từng

vị trí khảo sát cụ thể và có phương rất rõ ràng, trong trường hợp này phương

của tia bức xạ mặt trời là đường nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát

Mặc dù vậy, các khảo sát thực tế cho thấy – về mặt giá trị – bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển cũng có

những biến đổi nhẹ

 Có 2 lý do gây ra sự biến đổi này:

- Do các hiện tượng diễn ra trong nội bộ mặt trời.

- Do sự biến đổi của khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất

 Các nghiên cứu cho thấy, lý do thứ nhất chỉ

gây ảnh hưởng tối đa không quá 1,5%, còn lý do thứ hai có thể gây ảnh hưởng đến 3%

 Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cường độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn định và bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển là bức xạ mặt trời đến trên mặt đất nhưng không tính đến ảnh hưởng của bầu khí quyển

 Gọi Gon là lượng bức xạ mặt trời đến

một mặt phẳng có diện tích 1m2

đặt thẳng góc với tia bức xạ và ở

bên ngoài bầu khí quyển, ta có:

Gon = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)]

Trong đó:

GSC – hằng số mặt trời.

n – số thứ tự của ngày trong năm

với qui ước lấy giá trị n của

ngày 1 tháng giêng là 1

 Nếu bề mặt khảo sát nằm

ngang, giá trị Go biểu diễn lượng bức xạ mặt trời đến mặt phẳng

có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển có giá trị là:

Go = GSC.

[1+0,033.Cos(360.n/365)].CosZ

 Gọi Ho (J/m2) là lượng bức xạ mặt trời

đến mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển

trong thời gian 1 ngày, ta viết được:

Ho = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].φ1Với:

φ1 = (Cosδ.Cos.Cos+Sinδ.Sin).dt

 Khi đặt dt = a.d, ta có:

Ho = a.GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].φ2Với:

φ2 = (Cosδ.Cos.Cos+Sinδ.Sin).d

 Cos Cos Cos +Sin Sin       dt

�

 Trong các biểu thức trên, t có đơn vị

là giây,  có đơn vị là độ và biến

đổi trong khoảng từ –S cho đến +S ,

tức là từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn

 Sau khi lấy tích phân, ta được:

 Bên cạnh giá trị Ho, trong các tính toán về bức xạ mặt trời người ta cũng rất quan tâm đến giá trị Hom

 Ta hiểu Hom là lượng bức xạ mặt trời

đến trên mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m 2 đặt bên ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày (nhưng là ngày điển hình của tháng khảo sát).

 Theo định nghĩa, ngày điển hình của một tháng nào đó là ngày mà Ho có

giá trị gần nhất so với giá trị bức xạ

trung bình của tháng đó

 Nói chung, các tia bức xạ mặt trời về nguyên tắc có bước sóng  gần như là từ 0 cho đến 

 Tuy nhiên, do cường độ các tia bức xạ

mặt trời phân bố rất không đồng đều

theo bước sóng, cho nên trong thực tế ta

chỉ quan tâm đến các tia bức xạ có bước sóng  trong khoảng từ 0,24m đến

50m

 Cường độ của các tia bức xạ có bước sóng  <0,24m và >50m thật sự không

đáng kể

 Hình 3.1 trình bày quang phổ của bức xạ mặt trời ở dạng đồ thị

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 0

 Bảng 3.1 trình bày một vài số liệu về sự phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng ở dạng bảng, trong đó:

Gsc, - cường độ bức xạ đơn sắc,

W/m2

f0- - tỉ số giữa tổng lượng bức xạ ứng với bước sóng trong khoảng từ 0 đến  và hằng số mặt trời.

1,0 748 0,6949 1,2 485 0,7840 1,4 337 0,8433 1,6 245 0,8861 1,8 159 0,9159 2,0 103 0,9349 2,2 79 0,9483 2,4 62 0,9586 2,6 48 0,9667 2,8 39 0,9731 3,0 31 0,9783 3,2 22,6 0,9822 3,4 16,6 0,9850 3,6 13,5 0,9872 3,8 11,1 0,9891 4,0 9,5 0,9906 4,5 5,9 0,9934 5,0 3,8 0,9951 6,0 1,8 0,9972 7,0 1,0 0,9982 8,0 0,59 0,9988 10,0 0,24 0,9994 50,0 3,9.10 -4 1,0000

Ví dụ 3.1

Xác định lượng bức xạ mặt trời đến 1m 2 mặt

ngày 15-4 Cho biết khoảng thời gian khảo sát

là 1 ngày và giả sử bỏ qua ảnh hưởng của

bầu khí quyển.

Như đã trình bày ở trên, khái niệm ngày

trong kỹ thuật năng lượng mặt trời tương ứng với khoảng thời gian từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn Do ngày 15-4 là ngày điển hình của tháng 4 nên giá trị cần xác định chính là H om

 Ta có n=105 và từ đó xác định được  = 9 o 40.

 S có giá trị là:

Ví dụ 3.2

 Xác định cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt đặt bên ngoài bầu khí quyển và thẳng góc với tia bức xạ trong các trường hợp sau:

- Trong vùng tia cực tím hay tia tử ngoại (Ultraviolet) với  < 0,38 m.

- Trong vùng các tia bức xạ nhìn thấy được với 0,38 m <  < 0,78  m.

- Trong vùng các tia hồng ngoại (Infrared) với  > 0,78 m.

 Từ bảng 3.1 ta tra được các giá trị f 0- và tính được các kết quả sau:

- Ứng với các tia bức xạ có bước sóng từ

0 đến 0,38m: f0- = 0,07 Do đó cường độ ứng với các tia bức xạ có bước sóng từ 0 đến 0,38m là 0,07.1353= 94,71W/m 2.

- Ứng với các tia bức xạ có bước sóng từ

0 đến 0,78m: f0- = 0,5429 (nội suy từ bảng) Như vậy, nếu chỉ tính các tia bức xạ có bước sóng từ 0,38m đến 0,78m thì cường

độ bức xạ tương ứng là (0,5429 – 0,07).1353

- Ứng với các tia bức xạ có bước sóng lớn

618,4563W/m 2.

3.2 Bức xạ mặt trời

đến trên mặt đất

(Terrestrial Solar Radiation)

 Do ảnh hưởng của bầu khí quyển và các vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia bức xạ mặt trời sẽ phải chịu

hiện tượng hấp thụ và phản xạ

 Hiện tượng hấp thụ làm giảm cường độ của tia bức xạ, còn hiện tượng phản xạ

làm một bộ phận của tia bức xạ bị đổi phương, do đó phương của thành phần bị phản xạ không rõ ràng

 Kết quả của các hiện tượng vừa nêu là, càng đến gần bề mặt Trái đất, cường độ của tia bức xạ tổng càng bị giảm

 Một cách tổng quát, người ta xem lượng bức xạ tổng đi vào bầu khí quyển (Terrestrial Solar Radiation) để đến một bề mặt khảo sát nào đó trên

mặt đất bao gồm 2 thành phần là trực

xạ (Beam Radiation) và khuếch tán

(Diffuse Radiation)

ràng, đó là đường thẳng nối từ mặt trời đến địa điểm khảo sát

khuếch tán, phương hướng và cường

độ của thành phần khuếch tán khá

Để đơn giản hóa vấn đề này, Hottel và Woertz giả sử thành phần khuếch tán

phân bố đồng đều trong khắp bầu trời

Giả thiết này hầu như chỉ phù hợp trong trường hợp bầu trời có sương mù, hoặc bị che phủ bởi mây phân bố đều trong bầu trời

Vào những ngày trời trong, hầu hết những tia bức xạ khuếch tán có phương gần giống với phương của tia trực xạ

 Gọi:

phẳng nằm ngang và đến bề mặt

nghiêng đang khảo sát trong 1 giờ.

phẳng nằm ngang và đến bề mặt

nghiêng đang khảo sát trong 1 giờ.

mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng đang khảo sát trong 1

giờ.

- Khi chú ý đến thành phần này, Liu và

Jordan xem như lượng bức xạ tổng (Total

Radiation) đi đến một bề mặt nghiêng bất kỳ bao gồm 3 thành phần là thành

phần trực xạ, thành phần khuếch tán

bầu trời và thành phần phản xạ từ mặt đất

 Gọi  là góc nghiêng của bề mặt nghiêng đang khảo sát, giá trị (1+Cosβ)/2 được hiểu là hệ số nhìn bầu trời (View Factor to the Sky) và giá trị (1- Cosβ)/2 được hiểu là hệ số nhìn mặt đất (View Factor to the Ground) của bề mặt nghiêng này

 Theo cách đặt vấn đề như vậy, ta có:

IT = IbRb + Id (1+Cosβ)/2 + (Id + Ib). (1-Cosβ)/2

 Trong đó  là hệ số phản xạ của mặt đất.

bề mặt đất không có tuyết phủ và lấy  = 0,7 đối với bề mặt đất có tuyết phủ

 Kết hợp các biểu thức đã trình bày ở trên, ta có:

Vào những ngày bầu trời trong sáng ta xem như R = Rb , còn vào những ngày bầu trời bị mây và sương mù ta xem như

Rd = 1

Rõ ràng mức độ khuếch tán và hấp thụ các tia bức xạ mặt trời thay đổi theo thời gian do trạng thái và đặc điểm của bầu khí quyển không hoàn toàn ổn định, chính vì vậy cần phải chuẩn hóa

khái niệm trong sáng của bầu trời

Gọi b là hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ, ta có:

kS = 0,2711 + 0,01858.(2,5 – A)2

Trong đó A là độ cao của người quan

sát, A tính bằng km, Gb là thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong sáng tiêu chuẩn đến 1

Công thức xác định b sử dụng được cho bất kỳ giá trị nào của Z ứng

với độ cao khảo sát nhỏ hơn 2,5 km

Nếu vị trí khảo sát thuộc vùng nhiệt

đới thì nên nhân thêm hệ số hiệu

chỉnh, cụ thể:

a0 = 0,95.a0S

a1 = 0,98.a1S

k = 1,02.kS

 Bên cạnh việc xác định thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong sáng tiêu chuẩn, cần phải xác định cả thành phần khuếch tán tương ứng để tính được giá trị bức xạ tổng

xuyên qua bầu trời có độ trong sáng

Liu và Jordan đã đề nghị cách xác định

các tia khuếch tán ứng với bầu trời có độ trong sáng tiêu chuẩn như sau:

Ví dụ 3.3

Giả sử người ta dùng dụng cụ đo xác định được lượng bức xạ tổng đến một

bề mặt nằm ngang nào đó là 675 W/m 2,

trong đó thành phần trực xạ là 425 W/m 2

và thành phần khuếch tán là 250 W/m 2

Xác định lượng bức xạ tổng đến một bề mặt nghiêng có  = 150,  = 00 Cho biết địa điểm khảo sát có vĩ độ  =

130N , ngày khảo sát là 15.4, giờ mặt

trời tương ứng là 10h, và bề mặt đất

có  = 0,2

 Như vậy:

Cos = 0,16358.0,22495.0,965925 – 0,16358.0,97437.0,258819.1

+ 0,986529.0,97437.0,965925.0,866 + 0,986529.0,22495.0,258819.1.0,866

 Từ đó, ta có thể xác định được lượng bức xạ tổng GT đến bề mặt nghiêng đang khảo sát như sau:

GT = GbRb + Gd (1+Cosβ)/2 + (Gd + Gb).

(1-Cosβ)/2

GT = 723,54 W/m2