1. Lõ
11.2 Hình ảnh máy nước nóng
Hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió.
Tại Hoa Kỳ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư. Công nghệ sưởi ấm, làm mát và thông gió năng lượng Mặt Trời có thể được sử dụng để bù đắp một phần năng lượng này.
Hình 11.3: Toà nhà sử dụng hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió
Nhiệt khối là vật liệu bất kỳ có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt nóng từ Mặt Trời trong trường hợp của năng lượng Mặt Trời. Các vật liệu nhiệt khối phổ biến bao gồm đá, xi măng và nước. Chúng đã được sử dụng trong lịch sử ở vùng khí hậu khô hạn và khu vực ôn đới ấm để giữ mát các tòa nhà bằng cách hấp thụ năng lượng Mặt Trời vào ban ngày và bức xạ nhiệt đã lưu trữ để không khí mát vào ban đêm. Tuy nhiên, chúng cũng có thể được sử dụng trong khu vực ôn đới lạnh để duy trì sự ấm áp. Kích thước và vị trí của nhiệt khối phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện khí hậu, chiếu sáng bằng ánh sáng ngày và bóng râm. Khi kết hợp đúng cách, nhiệt khối duy trì nhiệt độ không gian trong một phạm vi thoải mái và làm giảm sự cần thiết để sưởi ấm phụ trợ và thiết bị làm mát.[5][8]
Điện Mặt Trời phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện. Sử dụng năng lượng Mặt Trời chỉ bị giới hạn bởi sự khéo léo của con người. Một phần danh sách các ứng dụng năng lượng Mặt Trời sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng Mặt Trời, qua chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng Mặt Trời, nấu ăn năng lượng Mặt Trời, và
quá trình nhiệt độ cao nhiệt cho công nghiệp purposes. Để thu năng lượng Mặt Trời, cách phổ biến nhất là sử dụng tấm năng lượng Mặt Trời.[5][8]
Pin Mặt Trời hay tế bào quang điện (PV), tế bào năng lượng Mặt Trời là một thiết bị chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện. Các tế bào năng lượng Mặt Trời đầu tiên được xây dựng bởi Charles Fritts trong những năm 1880. Năm 1931, một kỹ sư người Đức, tiến sĩ Bruno Lange, phát triển một tế bào hình ảnh bằng cách sử dụng selenua bạc ở vị trí của oxit đồng. Mặc dù tế bào selenium nguyên mẫu chuyển đổi ít hơn 1% ánh sáng tới thành điện năng, cả hai Ernst Werner von Siemens và James Clerk Maxwell đều nhận ra tầm quan trọng của phát hiện này. Sau công trình của Russell Ohl trong những năm 1940, các nhà nghiên cứu Gerald Pearson, Calvin Fuller và Daryl Chapin tạo ra tế bào năng lượng Mặt Trời silicon vào năm 1954. Những tế bào năng lượng Mặt Trời ban đầu có giá 286 USD mỗi watt và đạt hiệu suất 4,5 - 6%.[5][8]
Hình 11.4: Hình ảnh pin Mặt Trời
Hóa học năng lượng Mặt Trời
Quá trình hóa học năng lượng Mặt Trời sử dụng năng lượng Mặt Trời để dẫn dắt phản ứng hóa học. Năng lượng Mặt Trời gây ra các phản ứng hóa học có thể được chia thành nhiệt hóa hoặc quang hóa. Một loạt nhiên liệu có thể được sản xuất bởi quang hợp nhân tạo. Xúc tác hóa học đa điện tử liên quan trong việc đưa ra các nhiên liệu carbon (như methanol) từ giảm carbon dioxide là một thách thức một sự thay thế khả thi là hydrogen sản xuất từ proton, mặc dù sử dụng nước như là nguồn gốc của các điện tử
(như các nhà máy) đòi hỏi phải làm chủ quá trình oxy hóa đa điện tử của hai phân tử nước ôxy phân tử.[5][8]
Công nghệ sản xuất Hydrogen là một phạm vi quan trọng của nghiên cứu hóa học năng lượng Mặt Trời từ những năm 1970. Ngoài điện phân điều khiển bởi các tế bào quang điện hoặc tế bào hóa nhiệt, quy trình nhiệt hóa cũng đã được khám phá. Sử dụng các bộ tập trung để phân tách nước thành oxy và hydro ở nhiệt độ cao (2300-2.600°C). Chu kỳ nhiệt hóa đặc trưng bởi sự phân hủy và tái sinh của chất phản ứng trình bày một con đường khác để sản xuất hydro. Quá trình Solzinc được phát triển tại Viện Khoa học Weizmann sử dụng một lò năng lượng Mặt Trời 1 MW để phân hủy oxide kẽm (ZnO) ở nhiệt độ trên 1200°C. Phản ứng này ban đầu sản xuất kẽm tinh khiết, sau đó có thể phản ứng với nước để sản xuất hydro.[5][8]
12. THỜI GIAN BIỂU TIỀN HÓA SAO CỦA MẶT TRỜI VÀ HỆ MẶT TRỜI
Hình 12.1: Sơ đồ thời gian biểu tiến hoá sao của Mặt Trời và Hệ Mặt Trời
Lấy mốc điểm khởi đầu hình thành hệ Mặt Trời khi sự nén ép trọng lực của tinh vân Mặt Trời tăng lên cách đây 5 tỉ năm.[5][8]
1. Tiền Mặt Trời: kéo dài từ hàng tỉ năm đến 50 triệu năm trước khi hình thành hệ Mặt Trời. Các đám mây tích tụ lại trong vùng bán kính 20 parsec.
2. Hình thành Mặt Trời:
a. 0 - 0,1x106 năm: Hàng loạt bức xạ siêu tân tinh lân cận kích hoạt tạo ra các vùng đậm đặc vật chất trong đám mây phân tử.
b. 0,1x106 - 50x106 năm: Mặt Trời lúc này có dạng khởi thủy sao T-Tauri.
* 0,1x106 - 10x106 năm: Hình thành các dạng đĩa tiền hành tinh của các hành tinh vòng ngoài, là sự tự tụ tập lại của vật chất phía viền ngoài tinh vân Mặt Trời. Mặt Trời đặc lại và nóng lên, gió Mặt Trời thổi dạt các luồng khí liên hành tinh.
* 10x106 - 100x106 triệu năm: Hình thành các hành tinh kiểu đất đá vòng trong. Xuất hiện các va chạm lớn. Nước hình thành trên Trái Đất.[5][8]
3. Tiến trình chính: Mặt Trời bắt đầu ổn định
* 500 - 600x106 năm: Cộng hưởng hấp dẫn do Sao Mộc và Sao Thổ đã kéo Sao Hải Vương về phía đĩa Kuiper. Một loạt các vụ va chạm giữa các thiên thể đã xảy ra thời kỳ này.
* 800x106 năm: Mầm mống sự sống xuất hiện trên Trái Đất.
* 4,7 tỉ năm: Là giai đoạn ổn định hiện tại, với sự tăng cường độ sáng và nhiệt độ của Mặt Trời khoảng 10% mỗi tỉ năm.
* 6 tỉ năm: Biên bề mặt Mặt Trời có thể mở rộng vượt quá quỹ đạo Trái Đất tới quỹ đạo Sao Hỏa.
* 7 tỉ năm: Thiên hà Andromeda tiến dần về Ngân Hà và xuất hiện khả năng dù nhỏ có thể sẽ hút hệ Mặt Trời trước khi hai thiên hà hòa nhập.
4. Hậu tiến trình chính: từ 10 tỉ năm - 12 tỉ năm: Giai đoạn sao khổng lồ đỏ theo tiến trình Hertzsprung-Russell.
* 10 - 12 tỉ năm: Mặt Trời bắt đầu bước vào quá trình đốt cháy hydro ở lớp ngoài lõi. Kể từ thời điểm này, nó đã không còn thuộc nhóm các ngôi sao thuộc dãy chính nữa. Mặt Trời dần biến thành một sao khổng lồ đỏ theo hệ thống tiến trình Hertzsprung-Russell và tỏa sáng hơn gấp nhiều lần (độ sáng có thể gấp tới 2700 lần hiện tại), lớn hơn nhiều (bán kính tăng lên gấp 250 lần) và nguội đi (còn khoảng 2726,85 K). Với kích thước cực kì lớn, Mặt Trời sẽ nuốt trọn Sao Thủy và có thể cả Sao Kim và Trái Đất.
* Tới giai đoạn này, sau khi đã sử dụng hết hydro, Mặt Trời phải đốt tiếp heli để duy trì sự tồn tại. Nó dần dần trở thành một sao khổng lồ mặc dù đã mất đi 30% khối lượng so với thời kì cực thịnh. Tiếp theo đó, Mặt Trời đi đến giai đoạn bùng nổ, phun ra xung quanh một lượng lớn vật chất dưới dạng ion hóa và plasma. Lõi của nó sẽ trở thành một sao lùn trắng.[5][8]
5. Tàn dư: Giai đoạn sao lùn trắng
* Ngoài 12 tỉ năm: Sao lùn trắng cạn kiệt dần năng lượng, nguội đi và trở thành sao lùn đen.
* Ngoài 100 nghìn tỉ năm: Mặt Trời hạ nhiệt độ xuống chỉ còn vài độ K. Toàn bộ hệ Mặt Trời tham gia vào khối vật chất tối của vũ trụ.[5][8]
13. QUAN SÁT VÀ CÁC HIỆU ỨNG Mặt Trời mọc Mặt Trời mọc
Hình 13.1: Hình ảnh Mặt Trời mọc
Mặt Trời mọc (Hán-Việt: nhật thăng, nhật xuất) là khoảnh khắc mà người quan sát thấy rìa phía trên của Mặt Trời xuất hiện phía trên đường chân trời phía đông. Mặt Trời mọc không nên nhầm lẫn với rạng đông hay bình minh (Hán-Việt: phất/phá hiểu, lê minh), là các thời điểm và khoảng thời gian mà bầu trời bắt đầu sáng dần ra, nói chung là trước khi Mặt Trời xuất hiện, thời điểm đánh dấu sự kết thúc tranh tối tranh sáng. Do sự khúc xạ trong khí quyển làm cho Mặt Trời được nhìn thấy trong khi nó thực tế vẫn còn ở phía dưới đường chân trời một chút nên cả Mặt Trời mọc lẫn Mặt Trời lặn chỉ là các ảo giác quang học. Mặt Trời cũng thể hiện ảo giác quang học vào thời điểm Mặt Trời mọc tương tự như ảo giác Mặt Trăng nghĩa là chúng trông dường như có kích thước lớn hơn khi ở gần đường chân trời so với khi chúng ở trên cao, gần về phía đỉnh đầu.[11]
Thời gian Mặt Trời mọc dao động theo thời gian của năm cũng như vĩ độ tại địa điểm quan sát. Thời gian địa phương chính xác tại thời điểm Mặt Trời mọc cũng phụ thuộc vào kinh độ chính xác tại mỗi điểm trong phạm vi múi giờ đã cho. Các thay đổi nhỏ mỗi ngày và các thay đổi nửa năm có thể nhận thấy về thời gian Mặt Trời mọc là do sự nghiêng trục tự quay của Trái Đất cũng như chuyển động của Trái Đất trên quỹ đạo hàng năm dạng elip gần tròn của nó xung quanh Mặt Trời gây ra. Tuy nhiên, một vài dị thường biểu kiến cũng tồn tại. Tại Bắc bán cầu, Mặt Trời mọc muộn nhất không xảy ra đúng vào ngày đông chí (khoảng ngày 22 tháng 12), mà xảy ra vào khoảng đầu tháng 1. Tương tự, Mặt Trời mọc sớm nhất không xảy ra vào hạ chí (khoảng ngày 22 tháng 6), mà xảy ra sớm hơn trong tháng 6. Khi người ta di chuyển ra xa khỏi xích đạo thì thời gian Mặt Trời mọc và Mặt Trời lặn thay đổi trong suốt cả năm. Ngay cả ở xích đạo, Mặt Trời mọc và Mặt Trời lặn cũng dịch chuyển vài phút (mọc trước hay sau 6 giờ và lặn trước hay sau 18 giờ) trong suốt cả năm.[11]
Mặt Trời lặn
Hình 13.2: Hình ảnh Mặt Trời lặn
Mặt Trời lặn (Hán-Việt: nhật lạc) là sự biến mất hàng ngày của Mặt Trời phía dưới đường chân trời do kết quả của sự tự quay của Trái Đất.[12]
Trong thiên văn thời gian Mặt Trời lặn được định nghĩa là thời điểm rìa phía trên của Mặt Trời biến mất phía dưới đường chân trời ở phía tây. Do sự khúc xạ ánh sáng của khí quyển nên đường đi của các tia sáng từ Mặt Trời đang lặn bị lệch nhiều gần đường chân trời, làm cho Mặt Trời lặn thiên văn biểu kiến xảy ra khi Mặt Trời đã vào khoảng một lần đường kính của nó ở phía dưới đường chân trời. Mặt Trời lặn không nên nhầm lẫn với hoàng hôn, trong tiếng Việt được hiểu là khoảng thời gian từ khi Mặt Trời lặn cho tới khi bóng tối sụp xuống, với hoàng hôn thiên văn kết thúc khi Mặt Trời ở khoảng 18 độ phía dưới đường chân trời.[12]
Thời gian xảy ra Mặt Trời lặn dao động theo thời gian của năm cũng như vĩ độ của người quan sát. Thời gian địa phương chính xác của Mặt Trời lặn cũng phụ thuộc vào kinh độ chính xác của mỗi vị trí trong phạm vi múi giờ đã cho. Các thay đổi nhỏ mỗi ngày cũng như các thay đổi nửa năm có thể nhận thấy về thời điểm Mặt Trời lặn là do sự nghiêng của trục tự quay của Trái Đất, hình dạng phỏng cầu của nó cũng như chuyển động của hành tinh xanh trên quỹ đạo xung quanh Mặt Trời của nó. Mặc dù một vài dị thường biểu kiến cũng tồn tại nhưng nguyên nhân chính là sự nghiêng trục tự quay và quỹ đạo elip của Trái Đất. Tại Bắc bán cầu, Mặt Trời lặn sớm nhất không trùng với ngày diễn ra đông chí (ngày 22 tháng 12), mà xảy ra sớm hơn trong tháng 12. Tương tự, Mặt Trời lặn muộn nhất không xảy ra vào ngày có hạ chí (ngày 21 tháng 6), mà thay vì thế xảy ra muộn hơn vào cuối tháng 6 hay đầu tháng 7, phụ thuộc vào vĩ độ của người quan sát. Hiện tượng tương tự xảy ra ở Nam bán cầu, ngoại trừ các ngày tháng tương ứng sẽ là khoảng thời gian nào đó trước 22 tháng 6 trong mùa đông và khoảng thời gian nào đó sau 22 tháng 12 trong mùa hè ở bán cầu này, có thể trong tháng 1 của năm kế tiếp. Ngay cả trên xích đạo, Mặt Trời mọc và Mặt Trời lặn cũng dịch chuyển một vài phút (trước và sau 6 giờ đối với Mặt Trời mọc và trước hay sau 18 giờ đối với Mặt Trời lặn) trong suốt cả năm.[12]
Do sự nghiêng trục tự quay của Trái Đất, cho dù Mặt Trời lặn xảy ra khi nào và xảy ra ở đâu thì nó luôn luôn ở góc phần tư tây bắc từ điểm xuân phân tháng 3 (xuân phân ở Bắc bán cầu hay thu phân ở Nam bán cầu) tới điểm xuân phân tháng 9 (thu phân ở Bắc bán cầu hay xuân phân ở Nam bán cầu), và ở góc phần tư tây nam từ điểm xuân phân tháng 9 cho tới điểm xuân phân tháng 3 năm sau. Mặt Trời lặn chính xác ở phía tây chỉ trong các ngày diễn ra điểm xuân phân. Tuy nhiên độ dài thời gian bằng nhau giữa ban ngày và ban đêm trên thực tế không xảy ra tại các ngày có các điểm xuân phân do người ta tính thời điểm Mặt Trời mọc lẫn thời điểm Mặt Trời lặn theo rìa phía trên của Mặt Trời chứ không phải theo tâm của đĩa Mặt Trời. Ngoài ra, do ánh sáng từ Mặt Trời bị uốn cong do khúc xạ trong khí quyển nên người ta còn nhìn thấy Mặt Trời sau khi nó đã ở dưới đường chân trời về mặt hình học. Mặt Trời cũng được nhìn thấy to hơn khi nó ở trên đường chân trời và đây là một ảo giác quang học khác, tương tự như ảo giác Mặt Trăng.[12]
Màu sắc
Các sắc thái đỏ và cam chói của bầu trời khi Mặt Trời mọc hay Mặt Trời lặn chủ yếu là do sự tán xạ ánh sáng Mặt Trời của các hạt tro, bụi, các loại xon khí rắn và lỏng có trong khí quyển Trái Đất. Về mặt toán học, các sắc thái đỏ và cam được gia tăng vào thời điểm Mặt Trời mọc hay Mặt Trời lặn có thể được giải thích bằng thuyết Mie hay xấp xỉ lưỡng cực rời rạc. Khi trong không khí tại tầng đối lưu không còn hay chỉ có ít các hạt nhỏ này, chẳng hạn sau các trận mưa dông lớn, thì phần màu đỏ còn lại và ít mãnh liệt hơn, có thể được giải thích bằng tán xạ Rayleigh đối với ánh sáng Mặt Trời do các phân tử không khí. Màu sắc bầu trời khi Mặt Trời mọc nói chung ít mãnh liệt và ít chói gắt hơn so với màu sắc bầu trời khi Mặt Trời lặn, nói chung trong không khí vào buổi sáng có ít các hạt nhỏ và xon khí hơn so với trong không khí buổi chiều. Không khí ban đêm thường cũng lạnh hơn và ít gió hơn, cho phép các hạt bụi và tro có thể ngưng đọng từ khí quyển xuống thấp hơn, làm giảm lượng hạt gây ra tán xạ Mie. Tán xạ Mie giảm xuống tương ứng với sự suy giảm lượng ánh sáng tán xạ đỏ và cam vào lúc Mặt Trời mọc. Tuy nhiên, cường độ màu khi Mặt Trời mọc có thể vượt trội so với cường độ màu khi Mặt Trời lặn nếu như xảy ra cháy rừng ban đêm, phun trào núi lửa, hoặc bão bụi ở phía đông của người quan sát. Một loạt các vụ phun trào núi lửa gần đây, chẳng hạn các vụ phun trào của núi Pinatubo năm 1991 và Krakatoa năm 1883, là đủ lớn để tạo ra các Mặt Trời mọc và Mặt Trời lặn đáng ghi nhớ trên toàn thế giới.[12]
Trong khi tro và bụi từ các vụ phun trào núi lửa có xu hướng làm giảm sắc màu khi Mặt Trời lặn khi chúng bị mắc lại trong phạm vi tầng đối lưu, thì khi bị giữ trong tầng bình