Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời (Phần 1) - Nguyễn Quang Nam

Nội dung text: Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời (Phần 1) - Nguyễn Quang Nam

1. 408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng 2 1
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 Bài giảng 2 2
3. 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 Bài giảng 2 3
4. Mặt trời và bức xạ vật đen ➢ Mặt trời: đường kính 1,4x 106 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 Bài giảng 2 4
5. Định luật Planck ➢ Các bước sóng phát ra bởi vật đen phụ thuộc vào nhiệt độ của nó: 3,74 108 E = l 14400 5 l e lT −1 ▪ l = bước sóng (mm) 2 ▪ El = công suất phát ra trên đơn vị diện tích (W/m -mm) ▪ T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (K) Bài giảng 2 5
6. Phổ điện từ ➢ Ánh sáng thấy được có bước sóng nằm giữa 0,4 và 0,7 mm, tử ngoại ngắn hơn, hồng ngoại dài hơn. Bài giảng 2 6
7. Phổ của vật đen 15 C (288 K) ➢ Diện tích dưới đường cong = tổng công suất bức xạ Bài giảng 2 7
8. Định luật Stefan-Boltzmann ➢ Tổng công suất bức xạ theo định luật bức xạ Stefan - Boltzmann: E = AsT 4 ▪ E = tổng công suất bức xạ (W) ▪ s = 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) Bài giảng 2 8
9. Nguyên lý dịch chuyển Wien ➢ Bước sóng tại đó phổ bức xạ đạt cực đại: 2898 l = max T ▪ T = nhiệt độ tuyệt đối (K) ▪ l = bước sóng (mm) ▪ lmax = 0,5 mm đối với mặt trời, 5800 K ▪ lmax = 10,1 mm với trái đất (xem như vật đen), 288 K Bài giảng 2 9
10. Phổ mặt trời bên ngoài khí quyển Bài giảng 2 10
11. Tỷ số khối lượng không khí ▪ h1 = chiều dài đường đi khi thẳng góc ▪ h2 = chiều dài đường đi ở góc bất kỳ ▪ b = góc cao độ của tia sáng mặt trời Bài giảng 2 11
12. 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. Bài giảng 2 12
13. 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 xuân phân, thuphân – 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 Bài giảng 2 13
14. Quỹ đạo trái đất ➢ Với các ứng dụng điện mặt trời, chúng ta xem quỹ đạo của trái đất là không đổi. Bài giảng 2 14
15. Góc suy giảm ➢ Góc suy giảm d – góc tạo bởi mặt phẳng xích đạo và đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất. ➢ d thay đổi giữa 23,45 ➢ Giả sử biến thiên hình sin, một năm có 365 ngày, và n=81 ứng với xuân phân, có thể xấp xỉ d theo 360 d = 23,45sin (n −81) 365 Bài giảng 2 15
16. 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 Bài giảng 2 16
17. 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. Bài giảng 2 17
18. Góc cao độ bN khi đứng bóng ➢ Góc cao độ khi đứng bóng bN – góc giữa mặt trời và chân trời địa phương. bN = 90 – L + d ➢ Thiên đỉnh (zenith) – trục thẳng đứng tại điểm đang xét. Bài giảng 2 18
19. 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 d = - 8,3 ➢ Góc cao độ là bN = 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? Bài giảng 2 19
20. Vị trí của mặt trời trong ngày ➢ Vị trí được mô tả theo góc cao độ b và góc phương vị của mặt trời fs. ➢ b và fs phụ thuộc vào vĩ độ, chỉ số ngày, và thời điểm. ➢ Quy ước góc phương vị (fs) - 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 Bài giảng 2 20
21. Góc cao độ và góc phương vị Bài giảng 2 21
22. 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 Bài giảng 2 22
23. Góc cao độ và góc phương vị sin(b) = cos(L)cos(d)cos(H) + sin(L)sin(d) sin(fs) = [(cos(d)sin(H)]/cos(b) ➢ 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(d)/tan(L), thì |fs| 90, ngược lại |fs| > 90 Bài giảng 2 23
24. 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 d = 23,45 ➢ Góc giờ = (15)(-3) = –45 sin(b) = cos(10,93)cos(23,45)cos(–45) + sin(10,93)sin(23,45) = 0,7124 b = 45,43 sin(fs) = cos(23,45)sin(–45)/cos(45.43) = -0,9244 Chọn fs = 247,6. Tại sao? Bài giảng 2 24
25. 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. Bài giảng 2 25
26. Lược đồ quỹ đạo mặt trời để pt bóng che Bài giảng 2 26
27. 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 Bài giảng 2 27
28. Bản đồ múi giờ thế giới Bài giảng 2 28
29. 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) Bài giảng 2 29
30. 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) Bài giảng 2 30
31. 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 sin (L)sin (d ) cos(H ) = − = − tan(L)tan(d ) cos(L)cos(d ) ➢ 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. Bài giảng 2 31
32. 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 Bài giảng 2 32
33. 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 360n 2 I0 = SC 1+ 0,034cos W/m 365 ▪ SC = hằng số mặt trời = 1377 W/m2 ▪ n = chỉ số ngày Bài giảng 2 33
34. Bức xạ ngoài khí quyển ➢ Bức xạ sẽ bị suy giảm khi đi qua không khí, với quy luật suy giảm dạng hàm mũ. -km IB = Ae ▪ 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 Bài giảng 2 34
35. Bức xạ trên một mặt thu 1− cos() I RC = (I BH + I DH ) 2 Bài giảng 2 35
36. 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. Bài giảng 2 36
37. 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. Bài giảng 2 37
38. Bức xạ hàng năm trên thế giới Bài giảng 2 38