Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương II: Năng lượng mặt trời - Nguyễn Quang Nam

1Bài giảng 2
408004
Năng lượng tái tạo
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài giảng 2
Ch. 2: Năng lượng mặt trời
2.1. Nguồn năng lượng mặt trời 

 Phổ mặt trời

 Quỹ đạo trái đất

 Góc chiếu của mặt trời vào giữa trưa

 Vị trí mặt trời theo giờ trong ngày

 Phân tích bóng che dùng sơ đồ hướng mặt trời

 Tính giờ mặt trời theo múi giờ

 Mặt trời mọc và lặn
3Bài giảng 2
Tài nguyên mặt trời

 Để tìm hiểu năng lượng mặt trời, cần tìm hiểu về mặt 
trời

 Cần biết có bao nhiêu năng lượng ánh sáng

 Có thể dự đoán vị trí mặt trời ở thời điểm bất kỳ

 Bức xạ (insolation: incident solar radiation)

 Muốn xác định bức xạ trung bình mỗi ngày ở một vị trí

 Muốn có thể chọn vị trí và góc nghiêng hiệu quả cho 
các tấm pin mặt trời
4Bài giảng 2
Mặt trời và bức xạ vật đen

 Mặt trời: đường kính 1,4 km, công suất bức xạ
3,8.1020 MW

 Vật đen
 Vừa là vật phát xạ lý tưởng, vừa là vật hấp thụ lý 
tưởng
 Phát xạ lý tưởng: phát xạ nhiều năng lượng hơn 
vật thể thực ở cùng nhiệt độ
 Hấp thụ lý tưởng: hấp thụ toàn bộ, không phản xạ
5Bài giảng 2
Định luật Planck

 Các bước sóng phát ra bởi vật đen phụ thuộc vào 
nhiệt độ của nó:
 λ = bước sóng (µm)
 Eλ = công suất phát ra trên đơn vị diện tích (W/m2-µm)
 T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (°K)






−
×
=
1
1074,3
14400
5
8
Te
E
λ
λ
λ
6Bài giảng 2
Phổ điện từ

 Ánh sáng thấy được có bước sóng nằm giữa 0,4 và
0,7 µm, tử ngoại ngắn hơn, hồng ngoại dài hơn.
7Bài giảng 2
Phổ của vật đen 15 °C (288 °K)

 Diện tích dưới đường cong = tổng công suất bức xạ
8Bài giảng 2
Định luật Stefan-Boltzmann

 Tổng công suất bức xạ theo định luật bức xạ Stefan -
Boltzmann:
 E = tổng công suất bức xạ (W)
 σ = hằng số Stefan-Boltzmann = 5,67.10-8 W/m2-K4
 T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (°K)
 A = diện tích bề mặt vật đen (m2)
4TAE σ=
9Bài giảng 2
Nguyên lý dịch chuyển Wien

 Bước sóng tại đó phổ bức xạ đạt cực đại:
 T = nhiệt độ tuyệt đối (°K)
 λ = bước sóng (µm)
 λmax = 0,5 µm đối với mặt trời, 5800 °K
 λmax = 10,1 µm với trái đất (xem như vật đen), 288 °K
T
2898
max =λ
10Bài giảng 2
Phổ mặt trời bên ngoài khí quyển
11Bài giảng 2
Tỷ số khối lượng không khí
 h1 = chiều dài đường đi khi thẳng góc
 h2 = chiều dài đường đi ở góc bất kỳ
 β = góc cao độ của tia sáng mặt trời
12Bài giảng 2
Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất

 m 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.
13Bài giảng 2
Quỹ đạo trái đất

 Trong một ngày, trái đất quay 360,99°

 Trái đất quét thành mặt phẳng elip khi di chuyển

 Trục trái đất nghiêng 23,45°

 Điểm phân – ngày bằng đêm, xảy ra vào 21 tháng ba, 
và 21 tháng chín.

 Đông chí – Bắc cực nghiêng xa nhất so với mặt trời

 Hạ chí – Bắc cực nghiêng gần nhất so với mặt trời
14Bài giảng 2
Quỹ đạo trái đất

 Với các ứng dụng điện mặt trời, chúng ta xem quỹ đạo của 
trái đất là không đổi.
15Bài giảng 2
Góc suy giảm

 Góc suy giảm δ – góc tạo bởi mặt phẳng xích đạo và 
đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất.

 δ thay đổi giữa ±23,45°

 Giả sử biến thiên hình sin, một năm có 365 ngay, và
n=81 ứng với xuân phân, có thể xấp xỉ δ theo
( )





−= 81
365
360
sin45,23 nδ
16Bài giảng 2
Vị trí của mặt trời trên bầu trời

 Một cách nhìn khác

 Dự đoán vị trí của mặt trời vào thời điểm bất kỳ

 Chọn góc nghiêng tốt nhất cho các tấm PV
17Bài giảng 2
Đứng bóng và góc nghiêng của bộ thu

 Đứng bóng – mặt trời 
nằm ngay trên kinh 
tuyến địa phương

 Quy 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.
18Bài giảng 2
Góc cao độ βN khi đứng bóng

 Góc cao độ khi đứng bóng βN – góc giữa mặt trời và
chân trời địa phương.
βN = 90° – L + δ

 Thiên đỉnh (zenith) –
trục thẳng đứng tại 
điểm đang xét.
19Bài giảng 2
Ví dụ 7.2 – Góc nghiêng của module PV

 Tìm 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 δ = - 8,3°

 Góc cao độ là βN = 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?
20Bài giảng 2
Vị trí của mặt trời trong ngày

 Vị trí được mô tả theo góc cao độ β và góc phương vị
của mặt trời φs.

 β và φs phụ thuộc vào vĩ độ, chỉ số ngày, và thời điểm.

 Quy ước góc phương vị (φs)
- 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
21Bài giảng 2
Góc cao độ và góc phương vị
22Bài giảng 2
Góc giờ

 Góc 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 có
Góc 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°
23Bài giảng 2
Góc cao độ và góc phương vị
sin(β) = cos(L)cos(δ)cos(H) + sin(L)sin(δ)
sin(φs) = [(cos(δ)sin(H)]/cos(β)

 H = góc giờ

 L = 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(δ)/tan(L), thì |φs| ≤ 90°,
ngược lại |φs| > 90°
24Bài giảng 2
Ví 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 δ = 23,45°

 Góc giờ = (15°)(-3) = –45°
sin(β) = cos(10,93°)cos(23,45°)cos(–45°) 
+ sin(10,93°)sin(23,45°) = 0,7124
β = 45,43°
sin(φs) = cos(23,45°)sin(–45°)/cos(45.43°) = -0,9244
Chọn φs = 247,6°. Tại sao?
25Bài giảng 2
Lược đồ quỹ đạo mặt trời để pt bóng che

 Ta đã biết cách xác định vị trí mặt trời

 Điều này cũng giúp xác định địa điểm nào sẽ bị bóng 
che vào thời điểm nào đó

 Vẽ các góc phương vị và cao độ của cây, tòa nhà, và
các vật cản khác

 Những phần lược đồ quỹ đạo mặt trời bị che khuất cho 
biết thời điểm mà địa điểm đó sẽ bị bóng che.
26Bài giảng 2
Lược đồ quỹ đạo mặt trời để pt bóng che
27Bài giảng 2
Giờ mặt trời và giờ đồng hồ

 Hầu hết công việc của điện mặt trời liên quan đến giờ
mặt trời, được đo tương đối so với đứng bóng

 Tuy nhiên, đôi khi cần liên hệ với giờ đồng hồ

 Cần 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 trời

 Giờ mặt trời lệch 4 phút cho mỗi kinh độ

 Giờ đồng hồ có 24 múi giờ, mỗi mũi trải trên 15 kinh độ
28Bài giảng 2
Bản đồ múi giờ thế giới
29Bài giảng 2
Giờ mặt trời và giờ đồng hồ

 Quỹ đạo elip của trái đất làm cho chiều dài của ngày 
thay đổi suốt năm

 Sai 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)/364

 n là chỉ số ngày

 Kết hợp với hiệu chỉnh kinh độ, ta có
Giờ mặt trời = Giờ đồng hồ + 4 phút/độ*(kinh tuyến giờ địa 
phương – kinh độ quan sát) + E (phút)
30Bài giảng 2
Ví dụ 7.5 – Giờ mặt trời và giờ địa phương

 Tìm 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 phút

 Kinh 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)
31Bài giảng 2
Mặt trời mọc và lặn

 Có thể ước tính thời điểm mặt trời mọc và lặn

 Bằng cách cho góc cao độ bằng 0 và giải theo góc giờ

 Hai nghiệm H ứng với hai thời điểm, dấu + cho biết mặt 
trời mọc, và dấu - ứng với mặt trời lặn

 Có 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.
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )δδ
δ
tantan
coscos
sinsin
cos L
L
LH −=−=
32Bài giảng 2
Bức xạ trực tiếp trời quang

 Bức xạ trực tiếp IBC đi theo đường thẳng qua khí quyển 
đến bộ thu

 Tán xạ IDC bị phân tán bởi các phân tử không khí

 Phản xạ IRC từ các 
bề mặt gần bộ thu
33Bài giảng 2
Bức xạ ngoài khí quyển I0

 Giá trị ban đầu để tính bức xạ trời quang

 I0 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 trời
 SC = hằng số mặt trời = 1377 W/m2
 n = chỉ số ngày












+=
365
360
cos034,010
nSCI W/m2
34Bài giảng 2
Bức xạ ngoài khí quyển

 Bức xạ sẽ bị suy giảm khi đi qua không khí, với quy luật 
suy giảm dạng hàm mũ.
IB = Ae-km
 IB = phần tia bức xạ đến được mặt đất
 A = thông lượng biểu kiến ngoài khí quyển
 k = độ sâu quang học
 m = tỷ số khối lượng không khí
35Bài giảng 2
Bức xạ trên một mặt thu
( ) ( )




 Σ−
+=
2
cos1
DHBHRC III ρ
36Bài giảng 2
Các hệ thống bám theo

 Hầu 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.
37Bài giảng 2
Bức xạ hàng tháng và hàng năm

 Với 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.
38Bài giảng 2
Bức xạ hàng năm trên thế giới