Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và ứng dụng - Hoàng Dương Hùng

214 trang ngocly 2540

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và ứng dụng - Hoàng Dương Hùng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

nang_luong_mat_troi_ly_thuyet_va_ung_dung_hoang_duong_hung.pdf

Nội dung text: Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và ứng dụng - Hoàng Dương Hùng

TS. HOÀNG DƯƠNG HÙNG NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI LYÏ THUYÃÚT VAÌ ÆÏNG DUÛNG
LÅÌI NOÏI ÂÁÖU Nhu cáöu vãö nàng læåüng cuía con ngæåìi trong thåìi âaûi khoa hoüc kyî thuáût phaït triãøn ngaìy caìng tàng. Trong khi âoï caïc nguäön nhiãn liãûu dæû træî nhæ than âaï, dáöu moí, khê thiãn nhiãn vaì ngay caí thuíy âiãûn âãöu coï haûn, khiãún cho nhán loaûi âæïng træåïc nguy cå thiãúu huût nàng læåüng. Viãûc tçm kiãúm vaì khai thaïc caïc nguäön nàng læåüng måïi nhæ nàng læåüng haût nhán, nàng læåüng âëa nhiãût, nàng læåüng gioï vaì nàng læåüng màût tråìi laì hæåïng quan troüng trong kãú hoaûch phaït triãøn nàng læåüng, Viãûc nghiãn cæïu sæí duûng nàng læåüng màût tråìi ngaìy caìng âæåüc quan tám, nháút laì trong tçnh traûng thiãúu huût nàng læåüng vaì váún âãö cáúp baïch vãö mäi træåìng hiãûn nay. Nàng læåüng màût tråìi âæåcü xem nhæ laì daûng nàng læåüng æu viãût trong tæång lai, âoï laì nguäön nàng læåüng sàôn coï, siãu saûch vaì miãùn phê. Do váûy nàng læåüng màût tråìi ngaìy caìng âæåüc sæí duûng räüng raîi åí caïc næåïc trãn thãú giåïi. Näüi dung cuäún saïch âæåüc biãn soaûn mäüt caïch tæång âäúi roî raìng dãù hiãøu nhåì kinh nghiãûûm giaíng daûy, nghiãn cæïu láu nàm vaì kinh nghiãûm thæûc tãú cuía taïc giaí trong lénh væûc nàng læåüng màût tråìi. Trong quaï trçnh biãn soaûn, taïc giaí âaî coï tham khaío nhiãöu taìi liãûu cuía nhiãöu taïc giaí trong vaì ngoaìi næåïc. Cuäún saïch âæåüc chia ra laìm hai pháön: - Pháön mäüt: Màût tråìi vaì Nàng læåüng màût tråìi - Pháön hai: ÆÏng duûng Nàng læåüng màût tråìi Cuäún saïch âæåüc biãn soaûn våïi muûc âêch laìm taìi liãûu tham khaío cho sinh viãn chuyãn ngaình Cäng nghãû Nhiãût Laûnh vaì nhæîng ai quan tám hoüc táûp, nghiãn cæïu vãö nàng læåüng màût tråìi. Cuäún saïch måïi âæåüc biãn soaûn láön âáöu nãn chàõc chàõn khäng traïnh khoíi nhæîng khiãúm khuyãút. Taïc giaí ráút mong nháûn âuåüc caïc yï kiãún goïp yï tæì baûn âoüc. Taïc giaí xin chán thaình caím ån caïc âäöng nghiãûp khoa Cäng nghãû Nhiãût Âiãûn laûnh, træåìng Âaûi hoüc Baïch khoa Âaì Nàông âaî âäüng viãn, giuïp âåî cho taïc giaí trong quaï trçnh biãn soaûn. TAÏC GIAÍ 3
MUÛC LUÛC Trang Låìi noïi âáöu 3 Pháön 1. MÀÛT TRÅÌI VAÌ NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI 5 Chæång 1. Màût tråìi vaì traïi âáút 5 1.1. Cáúu truïc cuía màût tråìi 5 1.2. Caïc Phaín æïng haût nhán trong màût tråìi 8 1.3. Traïi âáút vaì khê quyãøn cuía Traïi âáút 10 Chæång 2. Nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi 16 2.1. Bæïc xaû màût tråìi 16 2.2. Tênh toaïn nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi 20 2.3. Âo cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi 28 Pháön 2. ÆÏNG DUÛNG NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI 31 Chæång 3. Pin màût tråìi 32 3.1. Nguyãn lyï hoaût âäüng vaì cáúu taûo cuía pin màût tråìi 32 3.2. Thiãút kãú vaì làõp âàût hãû thäúng pin màût tråìi 39 3.3. ÆÏng duûng pin màût tråìi 52 Chæång 4. Thiãút bë nhiãût màût tråìi 55 4.1. Cå såí lyï thuyãút tênh thiãút bë nhiãût màût tråìi 55 4.2. Bãúp náúu duìng nàng læåüng màût tråìi 87 4.3. Hãû thäúng cung cáúp næåïc noïng duìng nàng læåüng màût tråìi 101 4.4. Hãû thäúng sáúy duìng nàng læåüng màût tråìi 145 4.5. Hãû thäúng chæng cáút næåïc duìng nàng læåüng màût tråìi 153 4.6. Âäüng cå stirling duìng nàng læåüng màût tråìi 162 4.7. Thiãút bë laûnh duìng nàng læåüng màût tråìi 169 4.8. Nhaì maïy nhiãût âiãûn màût tråìi 191 Phuû luûc 196 Taìi liãûu tham khaío 209 Muûc luûc 215 215
PHÁÖN I MÀÛT TRÅÌI VAÌ NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI Màût tråìi laì mäüt trong nhæîng ngäi sao phaït saïng maì con ngæåìi coï thãø quan saït âæåüc trong vuî truû. Màût tråìi cuìng våïi caïc haình tinh vaì caïc thiãn thãø cuía noï taûo nãn hãû màût tråìi nàòm trong daíi Ngán Haì cuìng våïi haìng tyí hãû màût tråìi khaïc. Màût tråìi luän phaït ra mäüt nguäön nàng læåüng khäøng läö vaì mäüt pháön nguäön nàng læåüng âoï truyãön bàòng bæïc xaû âãún traïi âáút chuïng ta. Traïi âáút vaì Màût tråìi coï mäúi quan hãû chàût cheî, chênh bæïc xaû màût tråìi laì yãúu täú quyãút âënh cho sæû täön taûi cuía sæû säúng trãn haình tinh cuía chuïng ta. Nàng læåüng màût tråìi laì mäüt trong caïc nguäön nàng læåüng saûch vaì vä táûn vaì noï laì nguäön gäúc cuía caïc nguäön nàng læåüng khaïc trãn traïi âáút. Con ngæåìi âaî biãút táûn hæåíng nguäön nàng læåüng quê giaï naìy tæì ráút láu, tuy nhiãn viãûc khai thaïc, sæí duûng nguäön nàng læåüng naìy mäüt caïch hiãûu quaí nháút thç váùn laì váún âãö maì chuïng ta âang quan tám. 5
CHÆÅNG 1 MÀÛT TRÅÌI VAÌ TRAÏI ÂÁÚT 1.1. CÁÚU TRUÏC CUÍA MÀÛT TRÅÌI Màût tråìi laì mäüt khäúi khê hçnh cáöu coï âæåìng kênh 1,390.106km (låïn hån 110 láön âæåìng kênh Traïi âáút), caïch xa traïi âáút 150.106km (bàòng mäüt âån vë thiãn vàn AU aïnh saïng Màût tråìi cáön khoaíng 8 phuït âãø væåüt qua khoaíng naìy âãún Traïi âáút). Khäúi læåüng Màût tråìi khoaíng 30 Mo =2.10 kg. Nhiãût âäü To trung tám màût tråìi thay âäøi trong khoaíng tæì 10.106K âãún 20.106K, trung bçnh khoaíng 15600000 K. ÅÍ nhiãût âäü nhæ váûy váût cháút khäng thãø giæî âæåüc cáúu truïc Hçnh 1.1. Bãn ngoaìi màût tråìi. tráût tæû thäng thæåìng gäöm caïc nguyãn tæí vaì phán tæí. Noï tråí thaình plasma trong âoï caïc haût nhán cuía nguyãn tæí chuyãøn âäüng taïch biãût våïi caïc electron. Khi caïc haût nhán tæû do coï va chaûm våïi nhau seî xuáút hiãûn nhæîng vuû näø nhiãût haûch. Khi quan saït tênh cháút cuía váût cháút nguäüi hån trãn bãö màût nhçn tháúy âæåüc cuía Màût tråìi, caïc nhaì khoa hoüc âaî kãút luáûn ràòng coï phaín æïng nhiãût haûch xaíy ra åí trong loìng Màût tråìi. Vãö cáúu truïc, Màût tråìi coï thã ø chia laìm 4 vuìng, táút caí håüp thaình mäüt khäúi cáöu khê khäøng läö (hçnh 1.2). Vuìng giæîa goüi laì nhán hay “loîi” coï nhæîng chuyãøn âäüng âäúi læu, nåi xaíy ra nhæîng phaín æïng nhiãût haût 6
nhán taûo nãn nguäön nàng læåüng màût tråìi, vuìng naìy coï baïn kênh khoaíng 175.000km, khäúi læåüng riãng 160kg/dm3, nhiãût âäü æåïc tênh tæì 14 âãún 20 triãûu âäü, aïp suáút vaìo khoaíng haìng tràm tyí atmotphe. Vuìng kãú tiãúp Vuìng quang cáöu Bæïc xaû khaí kiãún, häöng ngoaûi vaì tæ í ngoaûi Vuìng âäúi læu Phoïng xaû Vuìng trung gian Loíi Neutrino Sàõc quyãøn Vãút âen Tai læía Tia bæïc xaû X vaì γ Hçnh 1.2. Cáúu truïc cuía Màût tråìi. laì vuìng trung gian coìn goüi laì vuìng “âäøi ngæåüc” qua âoï nàng læåüng truyãön tæì trong ra ngoaìi, váût cháút åí vuìng naìy gäöm coï sàõt (Fe), can xi (Ca), naït ri (Na), stronti (Sr), cräm (Cr), kãön (Ni), caïcbon ( C), silêc (Si) vaì caïc khê nhæ hiârä (H2), hãli (He), chiãöu daìy vuìng naìy khoaíng 400.000km. Tiãúp theo laì vuìng “âäúi læu” daìy 125.000km vaì vuìng “quang cáöu” coï nhiãût âäü khoaíng 6000K, daìy 1000km, åí vuìng naìy gäöm caïc boüt khê säi suûc, coï chäù taûo ra caïc vãút âen, laì caïc häú xoaïy coï nhiãût âäü tháúp khoaíng 4500K vaì caïc tai læía coï nhiãût âäü tæì 7000K -10000K. Vuìng ngoaìi cuìng laì vuìng báút âënh vaì goüi laì “khê quyãøn” cuía Màût tråìi. Nhiãût âäü bãö màût cuía Màût tråìi laì 5762K nghéa laì coï giaï trë âuí låïn âãø caïc nguyãn tæí täön taûi trong traûng thaïi kêch thêch, âäöng thåìi âuí nhoí âãø åí 7
âáy thènh thoaíng laûi xuáút hiãûn nhæîng nguyãn tæí bçnh thæåìng vaì caïc cáúu truïc phán tæí. Dæûa trãn cå såí phán têch caïc phäø bæïc xaû vaì háúp thuû cuía Màût tråìi ngæåìi ta xaïc âënh âæåüc ràòng trãn màût tråìi coï êt nháút 2/3 säú nguyãn täú tçm tháúy trãn Traïi âáút. Nguyãn täú phäø biãún nháút trãn Màût tråìi laì nguyãn täú nheû nháút Hydrogen. Váût cháút cuía Màût tråìi bao gäöm khoaíng 73.46% laì Hydrogen vaì gáön 24,85% laì Hãlium, coìn laûi laì caïc nguyãn täú vaì caïc cháút khaïc nhæ Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium 0,05% vaì Sulphur 0,04%. Nguäön nàng læåüng bæïc xaû chuí yãúu cuía Màût tråìi laì do phaín æïng nhiãût haûch täøng håüp haût nhán Hyârä, phaín æïng naìy âæa âãún sæû taûo thaình Hãli. Haût nhán cuía Hyârä coï mäüt haût mang âiãûn dæång laì proton. Thäng thæåìng nhæîng haût mang âiãûn cuìng dáúu âáøy nhau, nhæng åí nhiãût âäü âuí cao chuyãøn âäüng cuía chuïng seî nhanh tåïi mæïc chuïng coï thãø tiãún gáön tåïi nhau åí mäüt khoaíng caïch maì åí âoï coï thãø kãút håüp våïi nhau dæåïi taïc duûng cuía caïc læûc huït. Khi âoï cæï 4 haût nhán Hyârä laûi taûo ra mäüt haût nhán Hãli, 2 Neutrino vaì mäüt læåüng bæïc xaû γ. 1 4 4H1 → He2 + 2 Neutrino + γ (1.1) Neutrino laì haût khäng mang âiãûn, ráút bãön vaì coï khaí nàng âám xuyãn ráút låïn. Sau phaín æïng caïc Neutrino láûp tæïc råìi khoíi phaûm vi màût tråìi vaì khäng tham gia vaìo caïc “biãún cäú” sau âoï. Trong quaï trçnh diãùn biãún cuía phaín æïng coï mäüt læåüng váût cháút cuía Màût tråìi bë máút âi. Khäúi læåüng cuía Màût tråìi do âoï mäùi giáy giaím chæìng 4.106 táún, tuy nhiãn theo caïc nhaì nghiãn cæïu, traûng thaïi cuía Màût tråìi váùn khäng thay âäøi trong thåìi gian haìng tyí nàm næîa. Mäùi ngaìy Màût tråìi saín xuáút mäüt nguäön nàng læåüng qua phaín æïng nhiãût haûch lãn âãún 9.1024kWh (tæïc laì chæa âáöy mäüt pháön triãûu giáy Màût tråìi âaî giaíi phoïng ra mäüt læåüng nàng læåüng tæång âæång våïi täøng säú âiãûn nàng saín xuáút trong mäüt nàm trãn Traïi âáút). 8
1.2. PHAÍN ÆÏNG HAÛT NHÁN TRONG MÀÛT TRÅÌI 1.2.1. Phaín æïng täøng håüp haût nhán Hãli Trong quaï trçnh hçnh thaình, nhiãût âäü bãn trong Màût tråìi seî tàng dáön. Khi vuìng tám màût tråìi âaût nhiãût âäü T≥ 107K, thç coï âuí âiãöu kiãûn âãø xaíy ra phaín æïng täøng håüp Hãli tæì Hyârä, theo phæång trçnh: 4H1 → He4 + q. (1.2) Âáy laì phaín æïng sinh nhiãût q = ∆m.c2, trong âoï c = 3.108m/s laì váûn täúc aïnh saïng trong chán khäng, ∆m = (4mH - mHe) laì khäúi læåüng bë huût, âæåüc biãún thaình nàng læåüng theo phæång trçnh Einstein. Mäùi 1kg haût nhán H1 chuyãøn thaình He4 thç bë huût mäüt khäúi læåüng ∆m = 0,01kg, vaì giaíi phoïng ra nàng læåüng: q = ∆m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J (1.3) Læåüng nhiãût sinh ra seî laìm tàng aïp suáút khäúi khê, khiãún màût tråìi phaït ra aïnh saïng vaì bæïc xaû, vaì nåí ra cho âãún khi cán bàòng våïi læûc háúp dáùn. Mäùi giáy Màût tråìi tiãu huíy hån 420 triãûu táún hyârä, giaím khäúi læåüng ∆m = 4,2 triãûu táún vaì phaït ra nàng læåüng Q = 3,8.1026W. Giai âoaûn âäút Hyârä cuía Màût tråìi âaî âæåüc khåíi âäüng caïch âáy 4,5 tyí nàm, vaì coìn tiãúp tuûc trong khoaíng 5,5 tyí nàm næîa. 1.2.2. Phaín æïng täøng håüp Caïcbon vaì caïc nguyãn täú khaïc Khi nhiãn liãûu H2 duìng sàõp hãút, phaín æïng täøng håüp He seî yãúu dáön, aïp læûc bæïc xaû bãn trong khäng âuí maûnh âãø cán bàòng læûc neïn do háúp dáùn, khiãún thãø têch co laûi. Khi co laûi, khê He bãn trong bë neïn nãn nhiãût âäü tàng dáön, cho âãún khi âaût tåïi nhiãût âäü 108K, seî xaíy ra phaín æïng täøng håüp nhán Cacbon tæì He : 3He4 → C12 + q (1.4) Phaín æïng naìy xaíy ra åí nhiãût âäü cao, täúc âäü låïn, nãn thåìi gian chaïy He chè bàòng 1/30 thåìi gian chaïy H2 khoaíng 300 triãûu nàm. Nhiãût sinh ra trong phaín æïng laìm tàng aïp suáút bæïc xaû, khiãún ngäi sao nåí ra haìng tràm láön so våïi træåïc. Luïc naìy màût ngoaìi sao nhiãût âäü khoaíng 9
4000K, coï maìu âoí, nãn goüi laì sao âoí khäøng läö. Vaìo thåìi âiãøm laì sao âoí khäøng läö, Màût tråìi seî nuäút chæíng sao Thuíy vaì sao Kim, nung Traïi âáút âãún 1500K thaình mäüt haình tinh noïng chaíy, kãút thuïc sæû säúng taûi âáy. Kãút thuïc quaï trçnh chaïy He, aïp læûc trong sao giaím, læûc háúp dáùn eïp sao co laûi, laìm máût âäü vaì nhiãût âäü tàng lãn, âãún T= 5.106K seî xaíy ra phaín æïng taûo Oxy: 4C12→ 3O16 + q (1.5) Quaï trçnh chaïy xaíy ra nhæ trãn, våïi täúc âäü tàng dáön vaì thåìi gian ngàõn dáön. Chu trçnh chaïy - tàõt - neïn - chaïy âæåüc tàng täúc, liãn tiãúp thæûc hiãûn caïc phaín æïng taûo nguyãn täú måïi O16 -> Ne20 -> Na22 -> Mg24 -> Al26 -> Si28 -> P30 -> S32 -> -> Cr52 -> Mn54 -> Fe56 Caïc phaín æïng trãn âaî taûo ra hån 20 nguyãn täú, táûn cuìng laì Fe56 (gäöm 26 proton vaì 30 netron), toaìn bäü quaï trçnh âæåüc tàng täúc, xaíy ra chè trong vaìi triãûu nàm. Sau khi taûo ra Fe56, chuäùi phaín æïng haût nhán trong ngäi sao kãút thuïc, vç viãûc täøng håüp sàõt thaình nguyãn täú nàûng hån khäng coï âäüü huût khäúi læåüng, khäng phaït sinh nàng læåüng, maì cáön phaíi cáúp thãm nàng læåüng. 1.3. TRAÏI ÂÁÚT VAÌ KHÊ QUYÃØN CUÍA TRAÏI ÂÁÚT Traïi âáút âæåüc hçnh thaình caïch âáy gáön 5 tyí nàm tæì mäüt vaình âai buûi khê quay quanh Màût tråìi, kãút tuû thaình mäüt quaí cáöu xäúp tæû xoay vaì quay quanh Màût tråìi. Læûc háúp dáùn eïp quaí cáöu co laûi, khiãún nhiãût âäü noï tàng lãn haìng ngaìn âäü, laìm noïng chaíy quaí cáöu, khi âoï caïc nguyãn täú nàûng nhæ Sàõt vaì Niken chçm dáön vaìo tám taûo loîi quaí âáút, xung quanh laì magma loíng, ngoaìi cuìng laì khê quyãøn så khai gäöm H2, He, H2O, CH4, NH3 vaì H2SO4. Traïi âáút tiãúp tuûc quay, toía nhiãût vaì nguäüi dáön. Caïch âáy 3,8 tyí nàm nhiãût âäü Traïi âáút âuí nguäüi âãø Silicat näøi lãn trãn 10
màût magma räöi âäng cæïng laûi, taûo ra voí traïi âáút daìy khoaíng 25km, våïi nuïi cao, âáút bàòng vaì häú sáu. Nàng læåüng phoïng xaû trong loìng âáút våïi bæïc xaû Màût tråìi tiãúp tuûc gáy ra caïc biãún âäøi âëa táöng, vaì taûo ra thãm H2O, N2, O2, CO2 trong khê quyãøn. Khê quyãøn nguäüi dáön âãún âäü næåïc ngæng tuû, gáy ra mæa keïo daìi haình triãûu nàm, taûo ra säng häö, biãøn vaì âaûi dæång. Caïch âáy gáön 2 tyí nàm, nhæîng sinh váût âáöu tiãn xuáút hiãûn trong næåïc, sau âoï phaït triãøn thaình sinh váût cáúp cao vaì tiãún hoaï thaình ngæåìi. Traïi âáút, haình tinh thæï 3 tênh tæì Màût tråìi, cuìng våïi Màût tràng, mäüt vãû tinh duy nháút taûo ra mäüt hãû thäúng haình tinh keïp âàûc biãût. Traïi âáút laì haình tinh låïn nháút trong säú caïc haình tinh bãn trong cuía hãû màût tråìi våïi âæåìng kênh åí xêch âaûo 12.756 km. Nhçn tæì khäng gian, Traïi âáút coï maìu xanh, náu vaì xanh laï cáy våïi nhæîng âaïm máy tràõng thæåìng xuyãn thay âäøi. Bãö màût Traïi âáút coï mäüt âàûc tênh maì khäng mäüt haình tinh naìo khaïc coï: hai traûng thaïi cuía váût cháút cuìng täön taûi bãn nhau åí caí thãø ràõn vaì thãø loíng. Vuìng ranh giåïi giæîa biãøn vaì âáút liãön laì nåi duy nháút trong vuî truû coï váût cháút hiãûn hæîu äøn âënh trong caí 3 thãø ràõn, loíng vaì khê. Haình tinh traïi âáút di chuyãøn trãn mäüt quyî âaûo gáön ellip, Màût tråìi khäng åí tám cuía ellip, maì laì taûi 1 trong 2 tiãu âiãøm. Trong thåìi gian mäüt nàm, coï khi Traïi âáút gáön, coï khi xa Màût tråìi âäi chuït, vç quyî âaûo ellip cuía noï gáön nhæ hçnh troìn. Haìng nàm, vaìo thaïng giãng, Traïi âáút gáön Màût tråìi hån so våïi vaìo thangï 7 khoaíng 5 triãûu km, sæû sai biãût naìy quaï nhoí so våïi khoaíng caïch màût tråìi âãún Traïi âáút. Chuïng ta khäng caím nháûn âæåüc sæû khaïc biãût naìy trong mäüt voìng quay cuía Traïi âáút quanh Màût tråìi, hay trong mäüt nàm, sæû khaïc biãût vãö khoaíng caïch naìy háöu nhæ khäng aính hæåíng gç âãún muìa âäng vaì muìa heì trãn traïi âáút, chè coï âiãöu laì vaìo muìa âäng chuïng ta åí gáön Màût tråìi hån so våïi muìa heì chuït êt. 11
Traïi âáút chuyãøn Cæûc Bàõc âäüng quanh Màût tråìi, âäöng thåìi noï cuîng tæû quay quanh truûc cuía noï. Trong thåìi gian quay mäüt voìng quanh Màût tråìi, Traïi âáút quay 365 vaì 1/4 voìng quanh truûc. Chuyãøn âäüng quay quanh Màût tråìi taûo nãn bäún muìa, Xêch âaûo chuyãøn âäüng quay quanh truûc taûo nãn ngaìy vaì âãm trãn Traïi Cæûc Nam âáút. Truûc quay cuía Traïi âáút khäng thàóng goïc Hçnh 1.3. Traïi âáút våïi màût phàóng quyî âaûo, båíi thãú chuïng ta coï muìa âäng vaì muìa heì. Traïi âáút quay, vç thãú âäúi våïi chuïng ta âæïng trãn Traïi âáút coï veí nhæ caïc vç sao cäú âënh âæåüc gàõn chàût våïi quaí cáöu báöu tråìi quay xung quanh chuïng ta. Chuyãøn âäüng quay cuía Traïi âáút khäng quaï nhanh âãø læûc ly tám cuía noï coï thãø bàõn chuïng ta ra ngoaìi khäng gian. Læûc ly tám taïc duûng lãn moüi váût cuìng quay theo Traïi âáút, nhæng vä cuìng nhoí. Læûc ly tám låïn nháút åí xêch âaûo noï keïo moüi váût thãø lãn phêa trãn vaì laìm chuïng nheû âi chuït êt. Vç thãú, moüi váût thãø åí xêch âaûo cán nheû hån nàm pháön ngaìn so våïi åí hai cæûc. Háûu quaí cuía chuyãøn âäüng quay laìm cho Traïi âáút khäng coìn âuïng laì quaí cáöu troìn âãöu næîa maì læûc ly tám laìm cho noï phçnh ra åí xêch âaûo mäüt chuït (hçnh 1.3). Sæû sai khaïc naìy thæûc ra khäng âaïng kãø, baïn kênh Traïi âáút åí xêch âaûo laì 6.378.140km, låïn hån khoaíng caïch tæ ì 2 cæûc âãún tám Traïi âáút laì gáön 22km. 12
Sæû säúng chè hiãûn hæîu duy nháút trãn Traïi âáút. Trãn caïc haình tinh khaïc gáön chuïng ta nháút nhæ sao Kim thç quaï noïng vaì sao Hoía quaï laûnh. Næåïc trãn sao Kim nay âaî bäúc thaình håi næåïc, coìn næåïc trãn sao Hoaí âaî âoïng thaình bàng bãn dæåïi bãö màût cuía noï. Chè coï haình tinh cuía chuïng ta laì phuì håüp cho næåïc åí thãø loíng våïi nhiãût âäü tæì 0oC âãún 100oC. Xung quanh Traïi âáút coï låïp khê quyãøn daìy khoaíng H = 800km chæïa N2, O2, H2O, CO2, NOx, H2, He, Ar, Ne. AÏp suáút vaì khäúi læåüng riãng cuía khê quyãøn giaím dáön våïi âäü cao y theo quy luáût: Cp/R p(y) = p0.(1 - (g/(Cp.T0)).y) (1.6) Cv/R ρ(y) = ρ0(1 - (g/(Cp.T0)).y) (1.7) Khê quyãøn taïc âäüng âãún nhiãût âäü trãn haình tinh cuía chuïng ta. Caïc vuû phun traìo nuïi læía cuìng våïi caïc hoaût âäüng cuía con ngæåìi laìm aính hæåíng âãún caïc thaình pháön cáúu taûo cuía khê quyãøn. Vç thãú, hãû sinh thaïi trãn haình tinh chuïng ta laì kãút quaí cuía sæû cán bàòng mong manh giæîa caïc aính hæåíng khaïc nhau. Trong quaï khæï, hãû sinh thaïi naìy laì mäüt hãû thäúng cán bàòng tæû âiãöu chènh, nhæng ngaìy nay do taïc âäüng cuía con ngæåìi coï thãø âang laì nguyãn nhán laìm væåüt qua traûng thaïi cán bàòng naìy. Låïp khäng khê bao quanh Traïi âáút coï thãø têch khoaíng 270 triãûu km3 vaì nàûng khoaíng 5.300 tyí táún âeì lãn thán thãø chuïng ta. Nhæîng gç maì chuïng ta caím nháûn âæåüc chè xaíy ra trong táöng tháúp nháút, cao khoaíng 18km cuía cäüt khäng khê khäøng läö naìy, tuy nhiãn, pháön nhoí naìy laûi âoïng vai troì quan troüng nháút âäúi våïi sæû säúng trãn haình tinh cuía chuïng ta. Trong khäng khê chæïa khoaíng 78% phán tæí nitå vaì 21% oxy cuìng våïi 1% argon vaì mäüt säú cháút khê khaïc vaì håi næåïc trong âoï coï khoaíng 0,03% khê caïcbonic. Màûc dáöu haìm læåüng khê caïcbonic ráút nhoí, nhæng laûi âoïng mäüt vai troì quan troüng âäúi våïi sæû säúng trãn traïi âáút. 13
Caìng lãn cao aïp suáút khäng khê giaím vaì nhiãût âäü cuîng thay âäøi ráút nhiãöu, tuy nhiãn nhiãût âäü cuía khäng khê khäng haû xuäúng mäüt caïch âån giaín khi chuïng ta tiãún ra ngoaìi khäng gian, nhiãût âäü khäng khê giaím vaì tàng theo mäüt chu trçnh nháút âënh (hçnh 1.4). Nhiãût âäü åí mäùi táöng tæång æïng våïi mæïc têch tuû vaì loaûi nàng læåüng taïc âäüng trong táöng âoï. Khê quyãøn cuía Traïi âáút coï thãø chia laìm 4 táöng, trong âoï mäùi táöng coï mäüt kiãøu cán bàòng nàng læåüng khaïc nhau. Táöng dæåïi cuìng nháút goüi laì táöng âäúi læu (Troposphere) táöng naìy bë chi phäúi båíi aïnh saïng khaí kiãún vaì tia häöng ngoaûi, gáön 95% täøng säú khäúi læåüng vaì toaìn bäü næåïc trong khê quyãøn phán bä ú trong táöng naìy táöng âäúi læu cao chè khoaíng 14km. Gáön nhæ toaìn bäü sæû trao âäøi nàng læåüng giæîa khê quyãøn vaì Traïi âáút xaíy ra trong táöng naìy. Màût âáút vaì màût biãøn bë hám noïng lãn båíi Quyãøn tæì Thæåüng táöng khê quyãøn Táöng âiãûn ly Táöng giæîa Táöng bçnh læu Táöng âäúi læu (K) Hçnh 1.4. Sæû thay âäøi nhiãût âäü theo âäü cao cuía caïc táöng khê quyãøn. 14
aïnh nàõng Màût tråìi. Nhiãût âäü trung bçnh trãn bãö màût Traïi âáút khoaíng 15oC, bæïc xaû nhiãût âoïng vai troì âiãöu tiãút tæû nhiãn âãø giæî cho nhiãût âäü trãn màût âáút chè thay âäøi trong mäüt daíi táöng heûp. Theo lyï thuyãút, caìng lãn cao nhiãût âäü caìng giaím T(y) = T0 - (g/Cp).y, nhæng trong thæûc tãú thç khäng âuïng nhæ váûy. Trãn táöng âäúi læu laì táöng bçnh læu (Stratosphere), taûi âáy nhiãût âäü bàõt âáöu tàng tråí laûi. Nhiãût âäü taûi vuìng chuyãøn tiãúp giæîa vuìng âäúi læu vaì vuìng bçnh læu khoaíng -50oC, caìng lãn cao nhiãût âäü laûi tàng dáön, taûi ranh giåïi cuía táöng bçnh læu coï âäü cao khoaíng 50km nhiãût âäü tàng lãn khoaíng 0oC. Nguyãn nhán gáy ra hiãûn tæåüng naìy laì vç caïc phán tæí oxy (O2) vaì ozon (O3) háúp thuû mäüt pháön caïc tia cæûc têm âãún tæì Màût tråìi (90% ozon trong khê quyãøn chæïa trong táöng bçnh læu). Nãúu táút caí caïc tia cæûc têm naìy coï thãø âãún màût âáút thç sæû säúng trãn Traïi âáút coï nguy cå bë huíy diãût. Mäüt pháön nhoí tia cæûc têm bë háúp thuû båíi O2 trong táöng bçnh læu, quaï trçnh naìy taïch mäüt phán tæí O2 thaình 2 nguyãn tæí O, mäüt säú nguyãn tæí O phaín æïng våïi phán tæí O2 khaïc âãø taûo thaình O3. Màûc dáöu chè mäüt pháön triãûu phán tæí trong khê quyãøn laì äzän nhæng caïc phán tæí êt oíi naìy coï khaí nàng háúp thuû háöu hãút aïnh saïng cæûc têm træåïc khi chuïng âãún âæåüc màût âáút. Caïc photon trong aïnh saïng cæûc têm chæïa nàng læåüng låïn gáúp 2 âãún 3 láön caïc photon trong aïnh saïng khaí kiãún, chuïng laì mäüt trong caïc nguyãn nhán gáy bãûnh ung thæ da. Caïc kãút quaí nghiãn cæïu gáön âáy cho tháúy læåüng äzän trong táöng tháúp nháút cuía khê quyãøn (táöng âäúi læu) ngaìy caìng tàng, trong khi âoï haìm læåüng ozon trong táöng bçnh læu âaî bë giaím 6% tæì 20 nàm tråí laûi âáy. Háûu quaí cuía sæû suy giaím naìy laì caïc tia cæûc têm coï thãø xuyãn qua khê quyãøn âãún màût âáút ngaìy nhiãöu hån va ì laìm nhiãût âäü trong táöng bçnh læu ngaìy caìng laûnh âi, trong khi âoï nhiãût âäü trong táöng âäúi læu ngaìy mäüt noïng lãn do haìm læåüng äzän gáön màût âáút ngaìy caìng tàng. 15
Trong táöng giæîa (Mesosphere), coï âäü cao tæì 50km tråí lãn, ozon thçnh lçnh moíng ra vaì nhiãût âäü giaím dáön vaì lãn âãún ranh giåïi cao nháút cuía táöng naìy (khoaíng 80km) thç nhiãût âäü chè khoaíng -90oC. Caìng lãn cao nhiãût âäü bàõt âáöu tàng tråí laûi vaì sæû cáúu taûo cuía khê quyãøn thay âäøi hoaìn toaìn. Trong khi åí táöng dæåïi caïc quaï trçnh cå hoüc vaì trong táöng giæîa caïc quaï trçnh hoaï hoüc xaíy ra ráút tiãu biãøu, thç trong táöng cao nháút cuía khê quyãøn caïc quaï trçnh diãùn ra ráút khaïc biãût. Nhiãût læåüng bæïc xaû ráút maûnh cuía màût tråìi laìm taïch caïc phán tæí ra âãø taûo thaình caïc ion vaì electron. Vç thãú ngæåìi ta goüi táöng naìy laì táöng âiãûn ly (Ionosphere) caïc soïng âiãûn tæì bë phaín xaû trong táöng naìy. Caìng lãn cao, bæïc xaû màût tråìi caìng maûnh, åí âäü cao khoaíng 600km, nhiãût âäü lãn âãún 1000oC. Caìng lãn cao khê quyãøn caìng moíng vaì khäng coï mäüt ranh giåïi roî raìng phán biãût giæîa khê quyãøn cuía traïi âáút vaì khäng gian. Ngæåìi ta thäúng nháút ràòng khê quyãøn chuáøn cuía traïi âáút coï âäü cao 800km. 16
CHÆÅNG 2 NÀNG LÆÅÜNG BÆÏC XAÛ MÀÛT TRÅÌI 2.1. BÆÏC XAÛ MÀÛT TRÅÌI Trong toaìn bäü bæïc xaû cuía Màût tråìi, bæïc xaû liãn quan træûc tiãúp âãún caïc phaín æïng haût nhán xaíy ra trong nhán màût tråìi khäng quaï 3%. Bæïc xaû γ ban âáöu khi âi qua 5.105km chiãöu daìy cuía låïp váût cháút Màût tråìi bë biãún âäøi ráút maûnh. Táút caí caïc daûng cuía bæïc xaû âiãûn tæì âãöu coï baín cháút soïng vaì chuïng khaïc nhau åí bæåïc soïng. Bæïc xaû γ laì soïng ngàõn nháút trong caïc soïng âoï (Hçnh 2.1), tæì tám Màût tråìi âi ra do sæû va chaûm hoàûc taïn xaû maì nàng læåüng cuía chuïng giaím âi vaì báy giåì chuïng æïng våïi bæïc xaû coï bæåïc soïng daìi. Nhæ váûy bæïc xaû chuyãøn thaình bæïc xaû Rånghen coï bæåïc soïng daìi hån. Gáön âãún bãö màût Màût tråìi nåi coï nhiãût âäü âuí tháúp âãø coï thãø täön taûi váût cháút trong traûng thaïi nguyãn tæí vaì caïc cå chãú khaïc bàõt âáöu xaíy ra. ÂÄÜ DAÌI BÆÅÏC SOÏNG ( 10exp -8 10exp -6 10exp -4 10exp -2 10exp 0 10exp 2 10exp 4 10exp 6 10exp 8 10exp 10 Bæïc xaû nhiãût Tia Gamma Tæí ngoaûi Radar, TV, Radio 25 Tia Cosmic Tia X . Gáön xa Radio Radio Tia häöng ngoaûi Soïng ngàõn Soïng daìi AÏnh saïng trong tháúy 0.38 - 0.78 3 Nàng læåüng màût tråìi Hçnh1.1: Daîi bæïc xaû âiãûn tæì Hçnh 2.1. Daíi bæïc xaû âiãûn tæì 17
Âàûc træng cuía bæïc xaû màût tråìi truyãön trong khäng gian bãn ngoaìi Màût tråìi laì mäüt phäø räüng trong âoï cæûc âaûi cuía cæåìng âäü bæïc xaû nàòm trong daíi 10-1 - 10 µm vaì háöu nhæ mäüt næía täøng nàng læåüng màût tråìi táûp trung trong khoaíng bæåïc soïng 0,38 - 0,78 µm âoï laì vuìng nhçn tháúy cuía phäø. Chuìm tia truyãön thàóng tæì Màût tråìi goüi laì bæïc xaû træûc xaû. Täøng håüp caïc tia træûc xaû vaì taïn xaû goüi laì täøng xaû. Máût âäü doìng bæïc xaû træûc xaû åí ngoaìi låïp khê quyãøn, tênh âäúi våïi våïi 1m2 bãö màût âàût vuäng goïc våïi tia bæïc xaû, âæåüc tênh theo cäng thæïc: 4 q = ϕ D _ T .C0 (T /100) (2.1) ÅÍ âáy :ϕ DT− - hãû säú goïc bæïc xaû giæîa Traïi âáút vaì Màût tråìi 2 ϕ D−T = β / 4 (2.2) β - goïc nhçn màût tråìi vaì β ≈ 32’ nhæ hçnh 2.2 2 4 C0 = 5,67 W/m .K - hãû säú bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi T ≈ 5762 oK - nhiãût âäü bãö màût Màût tråìi (xem giäúng váût âen tuyãût âäúi) Màût tråìi D = 1 390 000 km Traïi âáút 32' D'= 12 700 km 149 500 000 km ± 1.7% HçHnhçnh 2 .1.2.2 G : oGïco nhçnïc nhç nMà mûtà ûttrå tråìi.ìi 18
2 ⎛ 2.3,14.32 ⎞ ⎜ ⎟ 4 ⎝ 360.60 ⎠ ⎛ 5762 ⎞ Váûy q = .5,67.⎜ ⎟ ≈ 1353 W/m2 (2.3) 4 ⎝ 100 ⎠ Do khoaíng caïch giæîa Traïi âáút vaì Màût tråìi thay âäøi theo muìa trong nàm nãn β cuîng thay âäøi, do âoï q cuîng thay âäøi nhæng âäü thay âäøi naìy khäng låïn làõm nãn coï thãø xem q laì khäng âäøi vaì âæåüc goüi laì hàòng säú màût tråìi. Khi truyãön qua låïp khê quyãøn bao boüc quanh Traïi âáút, caïc chuìm tia bæïc xaû bë háúp thuû vaì taïn xaû båíi táöng äzän, håi næåïc vaì buûi trong khê quyãøn, chè mäüt pháön nàng læåüng âæåüc truyãön træûc tiãúp tåïi Traïi âáút. Âáöu tiãn äxy phán tæí bçnh thæåìng O2 phán ly thaình äxy nguyãn tæí O, âãø phaï våî liãn kãút phán tæí âoï, cáön phaíi coï caïc photon bæåïc soïng ngàõn hån 0,18µm, do âoï caïc photon (xem bæïc xaû nhæ caïc haût råìi raûc - photon) coï nàng læåüng nhæ váûy bë háúp thuû hoaìn toaìn. Chè mäüt pháön caïc nguyãn tæí äxy kãút håüp thaình caïc phán tæí, coìn âaûi âa säú caïc nguyãn tæí tæång taïc våïi caïc phán tæí äxy khaïc âãø taûo thaình phán tæí äzän O3, äzän cuîng háúp thuû bæïc xaû tæí ngoaûi nhæng våïi mæïc âäü tháúp hån so våïi äxy, dæåïi taïc duûng cuía caïc photon våïi bæåïc soïng ngàõn hån 0,32µm, sæû phán taïch O3 thaình O2 vaì O xaíy ra. Nhæ váûy háöu nhæ toaìn bäü nàng læåüng cuía bæïc xaû tæí ngoaûi âæåüc sæí duûng âãø duy trç quaï trçnh phán ly vaì håüp nháút cuía O, O2 vaì O3, âoï laì mäüt quaï trçnh äøn âënh. Do quaï trçnh naìy, khi âi qua khê quyãøn, bæïc xaû tæí ngoaûi biãún âäøi thaình bæïc xaû våïi nàng læåüng nhoí hån. Caïc bæïc xaû våïi bæåïc soïng æïng våïi caïc vuìng nhçn tháúy vaì vuìng häöng ngoaûi cuía phäø tæång taïc våïi caïc phán tæí khê vaì caïc haût buûi cuía khäng khê nhæng khäng phaï våî caïc liãn kãút cuía chuïng, khi âoï caïc photon bë taïn xaû khaï âãöu theo moüi hæåïng vaì mäüt säú photon quay tråí laûi khäng gian vuî truû. Bæïc xaû chëu daûng taïn xaû âoï chuí yãúu laì bæïc xaû coï 19
bæåïc soïng ngàõn nháút. Sau khi phaín xaû tæì caïc pháön khaïc nhau cuía khê quyãøn bæïc xaû taïn xaû âi âãún chuïng ta mang theo maìu xanh lam cuía báöu tråìi trong saïng vaì coï thãø quan saït âæåüc åí nhæîng âäü cao khäng låïn. Caïc gioüt næåïc cuîng taïn xaû ráút maûnh bæïc xaû màût tråìi. Bæïc xaû màût tråìi khi âi qua khê quyãøn coìn gàûp mäüt tråí ngaûi âaïng kãø næîa âoï laì do sæû háúp thuû cuía caïc pháön tæí håi næoïc, khê caïcbänic vaì caïc håüp cháút khaïc, mæïc âäü cuía sæû háúp thuû naìy phuû thuäüc vaìo bæåïc soïng, maûnh nháút åí khoaíng giæîa vuìng häöng ngoaiû cuía phäø. Pháön nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi truyãön tåïi bãö màût traïi âáút trong nhæîng ngaìy quang âaîng (khäng coï máy) åí thåìi âiãøm cao nháút vaìo khoaíng 1000W/m2 (Hçnh 2.3) Khoaíng khäng Vuî truû 1353 W/m2 Sæû phaín xaû Khê Máút maït do sæû háúp thuû quyãøn Bæïc xaû khuyãúch taïn Tia phaín xaû 1000 W/m2 (Tråìi quang âaîng) Bãö màût traïi âáút Hçnh 2.3. Quaï trçnh truyãön nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi qua låïp khê quyãøn cuía Traïi âáút. 20
Yãúu täú cå baín xaïc âënh cæåìng âäü cuía bæïc xaû màût tråìi åí mäüt âiãøm naìo âoï trãn Traïi âáút laì quaîng âæåìng noï âi qua. Sæû máút maït nàng læåüng trãn quaîng âæåìng âoï gàõn liãön våïi sæû taïn xaû, háúp thuû bæïc xaû vaì phuû thuäüc vaìo thåìi gian trong ngaìy, muìa, vë trê âëa lyï. Caïc muìa hçnh thaình laì do sæû nghiãng cuía truûc traïi âáút âäúi våïi màût phàóng quyî âaûo cuía noï quanh Màût tråìi gáy ra. Goïc nghiãng vaìo khoaíng 66,5o vaì thæûc tãú xem nhæ khäng âäøi trong khäng gian. Sæû âënh hæåïng nhæ váûy cuía truûc quay traïi âáút trong chuyãøn âäüng cuía noï âäúi våïi Màût tråìi gáy ra nhæîng sæû dao âäüng quan troüng vãö âäü daìi ngaìy vaì âãm trong nàm. 2.2. TÊNH TOAÏN NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI Cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi trãn màût âáút chuí yãúu phuû thuäüc 2 yãúu täú: goïc nghiãng cuía caïc tia saïng âäúi våïi màût phàóng bãö màût taûi âiãøm âaî cho vaì âäü daìi âæåìng âi cuía caïc tia saïng trong khê quyãøn hay noïi chung laì phuû thuäüc vaìo âäü cao cuía Màût tråìi (Goïc giæîa phæång tæì âiãøm quan saït âãún Màût tråìi vaì màût phàóng nàòm ngang âi qua âiãøm âoï). Yãúu täú cå baín xaïc âënh cæåìng âäü cuía bæïc xaû màût tråìi åí mäüt âiãøm naìo âoï trãn Traïi âáút laì quaîng âæåìng noï âi qua. Sæû máút maït nàng læåüng trãn quaîng âæåìng âoï gàõn liãön våïi sæ û taïn xaû, háúp thuû bæïc xaû vaì phuû thuäüc vaìo thåìi gian trong ngaìy, muìa, vë trê âëa lyï. Quan hãû giæîa bæïc xaû màût tråìi ngoaìi khê quyãøn vaì thåìi gian trong nàm coï thãø xaïc âënh theo phæång trçnh sau: 360n E = E (1+0, 033cos ), W/m2 (2.4) ng o 365 trong âoï, Eng laì bæïc xaû ngoaìi khê quyãøn âæåüc âo trãn màût phàóng vuäng goïc våïi tia bæïc xaû vaìo ngaìy thæï n trong nàm. 2.2.1. Tênh toaïn goïc tåïi cuía bæïc xaû træûc xaû Trong quaï trçnh tênh toaïn cáön âënh nghéa mäüt säú khaïi niãûm nhæ sau: 21
- Hãû säú khäúi khäng khê m, laì tyí säú giæîa khäúi læåüng khê quyãøn theo phæång tia bæïc xaû truyãön qua vaì khäúi læåüng khê quyãøn theo phæång thàóng âæïng (tæïc laì khi Màût tråìi åí thiãn âènh). Nhæ váûy m =1 khi Màût 0 tråìi åí thiãn âènh, m =2 khi goïc thiãn âènh θz laì 60 . Âäúi våïi caïc goïc 0 thiãn âènh tæì 0-70 coï thãø xaïc âënh gáön âuïng m =1/cosθz . Coìn âäúi våïi 0 caïc goïc θz >70 thç âäü cong cuía bãö màût traïi âáút phaíi âæåüc âæa vaìo tênh toaïn. Riãng âäúi våïi træåìng håüp tênh toaïn bæïc xaû màût tråìi ngoaìi khê quyãøn m =0. - Træûc xaû: laì bæïc xaû màût tråìi nháûn âæåüc khi khäng bë báöu khê quyãøn phaït taïn. Âáy laì doìng bæïc xaû coï hæåïng vaì coï thãø thu âæåüc åí caïc bäü thu kiãøu táûp trung (häüi tuû). - Taïn xaû: laì bæïc xaû màût tråìi nháûn âæåüc sau khi hæåïng cuía noï âaî bë thay âäøi do sæû phaït taïn cuía báöu khê quyãøn (trong mäüt säú taìi liãûu khê tæåüng, taïn xaû coìn âæåüc goüi laì bæïc xaû cuía báöu tråìi, åí âáy cáön phán biãtû taïn xaû cuía màût tråìi våïi bæïc xaû häöng ngoaûi cuía báöu khê quyãøn phaït ra). - Täøng xaû: laì täøng cuía træûc xaû vaì taïn xaû trãn mäüt bãö màût (phäø biãún nháút laì täøng xaû trãn mäüt bãö màût nàòm ngang, thæåìng goüi laì bæïc xaû cáöu trãn bãö màût). - Cæåìng âäü bæïc xaû (W/m2): laì cæåìng âäü nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi âãún mäüt bãö màût tæång æïng våïi mäüt âån vë diãûn têch cuía bãö màût. Cæåìng âäü bæïc xaû cuîng bao gäöm cæåìng âäü bæïc xaû træûc xaû Etrx, cæåìng âäü bæïc xaû taïn xaû Etx vaì cæåìng âäü bæïc xaû quang phäø Eqp. - Nàng læåüng bæïc xaû (J/m2) : laì nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi truyãön tåïi mäüt âån vë diãûn têch bãö màût trong mäüt khoaíng thåìi gian, nhæ váûy nàng læåüng bæïc xaû laì mäüt âaûi læåüng bàòng têch phán cuía cæåìng âäü bæïc xaû trong mäüt khoaíng thåìi gian nháút âënh (thæåìng laì 1 giåì hay 1 ngaìy). - Giåì màût tråìi : laì thåìi gian dæûa trãn chuyãøn âäüng biãøu kiãún cuía màût tråìi trãn báöu tråìi, våïi quy æåïc giåì màût tråìi chênh ngoü laì thåìi âiãøm màût tråìi âi qua thiãn âènh cuía ngæåìi quan saït. Giåì màût tråìi laì thåìi gian 22
âæåüc sæí duûng trong moüi quan hãû vãö goïc màût tråìi, noï khäng âäöng nghéa våïi giåì theo âäöng häö. Quan hãû hçnh hoüc giæîa mäüt màût phàóng bäú trê báút kyì trãn màût âáút vaì bæïc xaû cuía màût tråìi truyãön tåïi, tæïc laì vë trê cuía màût tråìi so våïi màût phàóng âoï coï thãø âæåüc xaïc âënh theo caïc goïc âàûc træng sau (hçnh 2.4.); - Goïc vé âäü φ: vë trê goïc tæång æïng våïi vé âäü vãö phêa bàõc hoàûc vãö phêa nam âæåìng xêch âaûo traïi âáút, våïi hæåïng phêa bàõc laì hæåïng dæång. - 900 ≤ φ ≤ 900 Thiªn MÆt ®Ønh trêi Ph¸p tuyÕn tõ mÆt ph¼ng n»m ngang θz T θ αz B β γz N § γ Hçnh 2.4. Quan hãû caïc goïc hçnh hoüc cuía tia bæïc xaû màût tråìi trãn màût phàóng nghiãng. - Goïc nghiãng β : goïc giæîa màût phàóng cuía bãö màût tênh toaïn vaì phæång nàòm ngang. 0 ≤ β ≤ 1800 (β > 900 nghéa laì bãö màût nháûn bæïc xaû hæåïng xuäúng phêa dæåïi). 23
- Goïc phæång vë cuía bãö màût γ : goïc lãûch cuía hçnh chiãúu phaïp tuyãún bãö màût trãn màût phàóng nàòm ngang so våïi âæåìng kinh tuyãún. Goïc γ = 0 nãúu bãö màût quay vãö hæåïng chênh nam, γ láúy dáúu (+) nãúu bãö màût quay vãö phêa táy vaì láúy dáúu (-) nãúu bãö màût quay vãö phêa âäng. -1800 ≤ γ ≤ 1800 - Goïc giåì ω: goïc chuyãøn âäüng cuía vë trê màût tråìi vãö phêa âäng hoàûc phêa táy cuía kinh tuyãún âëa phæång do quaï trçnh quay cuía traïi âáút quanh truûc cuía noï vaì láúy giaï trë 150 cho 1 giåì âäöng häö, buäøi saïng láúy dáúu (-), buäøi chiãöu láúy dáúu (+). - Goïc tåïi θ: goïc giæîa tia bæïc xaû truyãön tåïi bãö màût vaì phaïp tuyãún cuía bãö màût âoï. - Goïc thiãn âènh θz: goïc giæîa phæång thàóng âæïng (thiãn âènh) vaì tia bæïc xaû tåïi. Trong træåìng håüp bãö màût nàòm ngang thç goïc thiãn âènh chênh laì goïc tåïi θ. - Goïc cao màût tråìi α : goïc giæîa phæång nàòm ngang vaì tia bæïc xaû truyãön tåïi, tæïc laì goïc phuû cuía goïc thiãn âènh. - Goïc phæång vë màût tråìi γs: goïc lãûch so våïi phæång nam cuía hçnh chiãúu tia bæïc xaû màût tråìi truyãön tåïi trãn màût phàóng nàòm ngang. Goïc naìy láúy dáúu ám (-) nãúu hçnh chiãúu lãûch vãö phêa âäng vaì láúy dáúu dæång (+) nãúu hçnh chiãúu lãûch vãö phêa táy. - Goïc lãûch δ: vë trê goïc cuía màût tråìi tæång æïng våïi giåì màût tråìi laì 12 giåì (tæïc laì khi Màût tråìi âi qua kinh tuyãún âëa phæång) so våïi màût phàóng cuía xêch âaûo traïi âáút, våïi hæåïng phêa bàõc laì hæåïng dæång. -23,450 ≤ δ ≤ 23,450 (2.5) Goïc lãûch δ coï thãø tênh toaïn theo phæång trçnh cuía Cooper: 284 + n δ = 23,45.sin(360 ) (2.6) 365 trong âoï n laì thæï tæû ngaìy cuía 1 nàm. Quan hãû giæîa caïc loaûi goïc âàûc træng åí trãn coï thãø biãøu diãùn bàòng phæång trçnh giæîa goïc tåïi θ vaì caïc goïc khaïc nhæ sau: 24
cosθ = sinδ.sinφ. cosβ - sinδ.cosφ. sinβ.cosγ + cosδ.cosφ.cosβ.cosω + cosδ.sinφ.sinβ.cosγ.cosω + cosδ.sinβ.sinγ.sinω vaì: cosθ = cosθz.cosβ + sinθz.sinβ.cos(γs - γ) (2.7) Âäúi våïi bãö màût nàòm ngang goïc tåïi θ chênh laì goïc thiãn âènh cuía màût tråìi θz, giaï trë cuía noï phaíi nàòm trong khoaíng 00 vaì 900 tæì khi màût tråìi moüc âãún khi Màût tråìi åí thiãn âènh (β = 0): cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ (2.8) 2.2.2. Bæïc xaû màût tråìi ngoaìi khê quyãøn lãn màût phàóng nàòm ngang Taûi thåìi âiãøm báút kyì, bæïc xaû màût tråìi âãún mäüt bãö màût nàòm ngang ngoaìi khê quyãøn âæåüc xaïc âënh theo phæång trçnh: ⎛ 360.n ⎞ Eo.ng = Eo ⎜1+ 0.033.cos ⎟.cosθ z (2.9) ⎝ 365 ⎠ Thay giaï trë cosθz vaìo phæång trçnh trãn ta coï Eo.ng taûi thåìi âiãøm báút kyì tæì luïc màût tråìi moüc âãún luïc màût tråìi làûn: ⎛ 360n ⎞ Eo.ng = Eo ⎜1+ 0.033.cos ⎟()cosφ.cosδ .cosω + sinφ.sinδ (2.10) ⎝ 365 ⎠ Têch phán phæång trçnh naìy theo thåìi gian tæì khi Màût tråìi moüc âãún khi Màût tråìi làûn (6h âãún 18h màût tråìi), ta seî âæåüc Eo. ngay laì nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi trãn màût phàóng nàòm ngang trong mäüt ngaìy: 24.3600Eo ⎛ 360n⎞⎛ πωs ⎞ Eo.ngay = ⎜1+0.033.cos ⎟⎜cosφ.cosδ.sinωs + sinφ.sinδ ⎟ (2.11) π ⎝ 365 ⎠⎝ 180 ⎠ 0 0 våïi ωz laì goïc giåì màût tråìi làûn ( ) (tæïc laì goïc giåì ω khi θz = 90 ) sinφ.sinδ cosω = − = −tgφ.tgδ (2.12) s cosφ.cosδ Ngæåìi ta cuîng xaïc âënh nàng læåüng bæïc xaû ngaìy trung bçnh thaïng Eoth bàòng caïch thay giaï trë n vaì δ trong caïc cäng thæïc trãn láúy bàòng giaï trë ngaìy trung bçnh cuía thaïng vaì âäü lãûch δ tæång æïng. Nàng læåüng bæïc xaû trãn màût phàóng nàòm ngang trong mäüt giåì nháút âënh coï thãø xaïc âënh: 25
112x3600 ⎛ 360n⎞⎡ π(ω2 −ω1) ⎤ Eo.gio = Eo⎜1+0.033 ⎟ cosφ.cosδ()sinω1 −sinω2 + sinφ.sinδ π ⎝ 365⎠⎣⎢ 180 ⎦⎥ (2.13) 2.2.3. Täøng cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi lãn bãö màût trãn Traïi âáút Täøng bæïc xaû màût tråìi lãn mäüt bãö màût âàût trãn màût âáút bao gäöm hai pháön chênh âoï laì træûc xaû vaì taïn xaû. Pháön træûc xaû âaî âæåüc khaío saït åí trãn, coìn thaình pháön taïn xaû thç khaï phæïc taûp. Hæåïng cuía bæïc xaû khuãúch taïn truyãön tåïi bãö màût laì haìm säú cuía âäü máy vaì âäü trong suäút cuía khê quyãøn, caïc âaûi læåüng naìy laûi thay âäøi khaï nhiãöu. Coï thãø xem bæïc xaû taïn xaû laì täøng håüp cuía 3 thaình pháön (hçnh 2.5.); - Thaình pháön taïn xaû âàóng hæåïng: pháön taïn xaû nháûn âæåüc âäöng âãöu tæì toaìn bäü voìm tråìi. - Thaình pháön taïn xaû quanh tia: pháön taïn xaû bë phaït taïn cuía bæïc xaû màût tråìi xung quanh tia màût tråìi. - Thaình pháön taïn xaû chán tråìi: pháön taïn xaû táûp trung gáön âæåìng chán tråìi. thµnh phÇn t¸n x¹ quanh tia thµnh phÇn t¸n Tia trùc x¹ x¹ ®¼ng huíng thµnh phÇn t¸n x¹ ch©n trêi Hçnh 2.5. Så âäö phán bäú caïc thaình pháön bæïc xaû khuãúch taïn. 26
Goïc khuãúch taïn åí mæïc âäü nháút âënh phuû thuäüc âäü phaín xaû Rg (coìn goüi laì albedo -suáút phán chiãúu) cuía màût âáút. Nhæîng bãö màût coï âäü phaín xaû cao (vê duû bãö màût tuyãút xäúp coï Rg = 0,7) seî phaín xaû maûnh bæïc xaû màût tråìi tråí laûi báöu tråìi vaì láön læåüt bë phaït taïn tråí thaình thaình pháön taïn xaû chán tråìi. Nhæ váûy bæïc xaû màût tråìi truyãön âãún mäüt bãö màût nghiãng laì täøng cuía caïc doìng bæïc xaû bao gäöm: træûc xaû Eb, 3 thaình pháön taïn xaû Ed1, Ed2, Ed3 vaì bæïc xaû phaín xaû tæì caïc bãö màût khaïc lán cáûn Er: EΣ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er (2.14) Tuy nhiãn viãûc tênh toaïn caïc âaûi læåüng taïn xaû naìy ráút phæïc taûp. Vç váûy ngæåìi ta giaí thiãút laì sæû kãút håüp cuía bæïc xaû khuãúch taïn vaì bæïc xaû phaín xaû cuía màût âáút laì âàóng hæåïng, nghéa laì täøng cuía bæïc xaû khuãúch taïn tæì báöu tråìi vaì bæïc xaû phaín xaû cuía màût âáút laì nhæ nhau trong moüi træåìng håüp khäng phuû thuäüc hæåïng cuía bãö màût. Nhæ váûy täøng xaû trãn bãö màût nghiãng seî laì täøng cuía træûc xaû Eb.Bb vaì taïn xaû trãn màût nàòm ngang Ed. Khi âoï mäüt bãö màût nghiãng taûo mäüt goïc β so våïi phæång nàòm ngang seî coï täøng xaû bàòng täøng cuía 3 thaình pháön: ⎛1 + cos β ⎞ ⎛1 − cos β ⎞ E β ∑ = Eb Bb + Ed ⎜ ⎟ + E∑ .Rg ⎜ ⎟ (2.15) ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ Trong âoï : EΣ laì täøng xaû trãn bãö màût nàòm ngang, (1 + cosβ)/2 = Fcs laì hãû säú goïc cuía bãö màût âäúi våïi báöu tråìi (1 - cosβ)/2 = Fcg laì hãû säú goïc cuía bãö màût âäúi våïi màût âáút Rg laì hãû säú phaín xaû bæïc xaû cuía mäi træåìng xung quanh. 27
Tia trùc x¹ T¸n x¹ quanh tia T¸n x¹ ®½ng huíng T¸n x¹ β ch©n trêi MÆt ®Êt Ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt Hçnh 2.6. Caïc thaình pháön bæïc xaû lãn bãö màût nghiãng. Vaì ta coï tyí säú bæïc xaû Bb cuía bãö màût nghiãng goïc β so våïi bãö màût ngang: En En .cosθ cosθ Bb = = = (2.16) Ebng En .cosθ z cosθ z En laì cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi tåïi theo phæång báút kyì, Ebng laì bæïc xaû màût tråìi theo phæång vuäng goïc våïi màût nàòm ngang, Ebngh laì bæïc xaû màût tråìi theo phæång vuäng goïc våïi màût phàóng nghiãng, cosθ vaì cosθz âæåüc xaïc âënh båíi caïc phæång trçnh (2.16) trãn vaì caïc goïc âæåüc biãøu diãùn trãn hçnh 2.4: Trong tênh toaïn kyî thuáût, coï thãø coi cæåìng âäü bæïc xaû tåïi màût âáút laì haìm cuía thåìi gian τ, tênh tæì luïc màût tråìi moüc, τ = 0 âãún khi màût tråìi làûn τ =τn/2, våïi τn=24h = 24.3600s nhæ sau: E(τ) = En.sinϕ(τ) (2.17) ϕ(τ) = ω.τ laì goïc nghiãng tia nàõng so våïi màût âáút, 28
2π 2π ω = = = 7,72.10 −5 rad / s laì täúc âäü goïc tæû xoay cuía traïi âáút, τ n 24.3600 2 En[W/m ] laì cæåìng âäü bæïc xaû cæûc âaûi trong ngaìy, láúy trë trung bçnh caí nàm theo theo säú liãûu säú liãûu âo læåìng thæûc tãú taûi vé âäü cáön xeït. Ebngh Ebng θ En En θz β Hçnh 2.7. Bæïc xaû træûc xaû trãn bãö màût nàòm ngang vaì nghiãng. 2.3. ÂO CÆÅÌNG ÂÄÜ BÆÏC XAÛ MÀÛT TRÅÌI Ngoaìi phæång phaïp xaïc âënh cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi taûi mäüt âiãøm báút kyì dæûa trãn vë trê âëa lyï (âäü cao màût tråìi) nhæ trãn, trong thæûc tãú ngæåìi ta âaî chãú taûo caïc duûng cuû âo cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi træûc tiãúp taûi âiãøm cáön âo. Thiãút bë âo bæïc xaû màût tråìi thæåìng coï 2 loaûi; âo træûc xaû nhæ (pyrheliometer, actinometer) vaì âo täøng xa û (pyranometer, Solarimeter). Hçnh 2.8. Nháût xaû kãú - Pyranometer 29
Ngaìy nay våïi kyî thuáût vi xæí lyï ngæåìi ta coï thãø duìng caïc âáöu âo (sensor) bæïc xaû âãø âo tæû âäüng cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi åí mäüt nåi naìo âoï trong khoíang thåìi gian naìo âoï vaì kãút quaí âo âæåüc læu laûi trong maïy tênh Hçnh 2.9. Træûc xaû kãú Hçnh 2.10. Âáöu âo bæïc xaû Hçnh 2.11. Thiãút bë âo nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi hiãûn säú. 30
PHÁÖN II ÆÏNG DUÛNG NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI Nàng læåüng màût tråìi (NLMT) laì nguäön nàng læåüng maì con ngæåìi biãút sæí duûng tæì ráút såïm, nhæng æïng duûng nàng læåüng màût tråìi vaìo caïc cäng nghãû saín xuáút vaì trãn quy mä räüng thç måïi chè thæûc sæû vaìo cuäúi thãú kyí 18 vaì cuîng chuí yãúu åí nhæîng næåïc nhiãöu nàng læåüng màût tråìi, nhæîng vuìng sa maûc. Tæì sau caïc cuäüc khuíng hoaíng nàng læåüng thãú giåïi nàm 1968 vaì 1973, nàng læåüng màût tråìi caìng âæåüc âàûc biãût quan tám. Caïc næåïc cäng nghiãûp phaït triãøn âaî âi tiãn phong trong viãûc nghiãn cæïu æïng duûng nàng læåüng màût tråìi. Caïc æïng duûng nàng læåüng màût tråìi phäø biãún hiãûn nay bao gäöm 2 lénh væûc chuí yãu.ú Thæï nháút laì nàng læåüng màût tråìi âæåüc biãún âäøi træûc tiãúp thaình âiãûn nàng nhåì caïc tãú baìo quang âiãûn baïn dáùn, hay coìn goüi laì Pin màût tråìi, caïc Pin màût tråìi saín xuáút ra âiãûn nàng mäüt caïch liãn tuûc chæìng naìo coìn coï bæïc xaû màût tråìi chiãúu tåïi. Lénh væûc thæï hai âoï laì sæí duûng nàng læåüng màût tråìi dæåïi daûng nhiãût nàng, åí âáy, chuïng ta duìng caïc thiãút bë thu bæïc xaû nhiãût màût tråìi vaì têch træî noï dæåïi daûng nhiãût nàng âãø duìng vaìo caïc muûc âêch khaïc nhau. Viãût Nam laì næåïc coï tiãöm nàng vãö NLMT, traíi daìi tæì vé âäü 8” Bàõc âãún 23” Bàõc, nàòm trong khu væûc coï cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi tæång âäúi cao, våïi trë säú täøng xaû khaï låïn tæì 100-175 kcal/cm2.nàm. Do âoï viãûc sæí duûng NLMT åí næåïc ta seî âem laûi hiãûu quaí kinh tãú låïn. Thiãút bë sæí duûng nàng læåüng màût tråìi åí Viãût Nam hiãûn nay chuí yãúu laì hãû thäúng cung cáúp âiãûn duìng pin màût tråìi, hãû thäúng náúu cåm coï gæång phaín xaû, hãû thäúng cung cáúp næåïc noïng, chæng cáút næåïc duìng NLMT, duìng NLMT chaûy caïc âäüng cå nhiãût (âäüng cå Stirling), vaì æïng duûng NLMT âãø laìm laûnh laì âãö taìi háúp dáùn coï tênh thåìi sæû âaî vaì âang âæåüc nhiãöu nhaì khoa hoüc trong vaì ngoaìi næåïc nghiãn cæïu. 31
CHÆÅNG 3 PIN MÀÛT TRÅÌI Pin mÆt trêi lµ ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt ®iÖn trùc tiÕp tõ n¨ng l−îng mÆt trêi qua thiÕt bÞ biÕn ®æi quang ®iÖn. Pin mÆt trêi cã −u ®iÓm lµ gän nhÑ cã thÓ l¾p bÊt kú ë ®©u cã ¸nh s¸ng mÆt trêi, ®Æc biÖt lµ trong lÜnh vùc tµu vò trô. øng dông n¨ng l−îng mÆt trêi d−íi d¹ng nµy ®−îc ph¸t triÓn víi tèc ®é rÊt nhanh, nhÊt lµ ë c¸c n−íc ph¸t triÓn. Ngµy nay con ng−êi ®· øng dông pin mÆt trêi trong lÜnh vùc hµng kh«ng vò trô, ®Ó ch¹y xe vµ trong sinh ho¹t thay thÕ dÇn nguån n¨ng l−îng truyÒn thèng. 32
3.1. CÁÚU TAÛO VAÌ HOAÛT ÂÄÜNG CUÍA PIN MÀÛT TRÅÌI Pin màût tråìi laìm viãûc theo nguyãn lyï laì biãún âäøi træûc tiãúp nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi thaình âiãûn nàng nhåì hiãûu æïng quang âiãûn. 3.1.1. Hiãûu æïng quang âiãûn Hiãûu æïng quang âiãûn âæåüc phaït hiãûn âáöu tiãn nàm 1839 båíi nhaì váût lyï Phaïp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiãn cho âãún 1883 mäüt pin nàng læåüng måïi âæåüc taûo thaình, båíi Charles Fritts, äng phuí lãn maûch baïn dáùn selen mäüt låïp cæûc moíng vaìng âãø taûo nãn maûch näúi. Thiãút bë chè coï hiãûu suáút 1%, Russell Ohl xem laì ngæåìi taûo ra pin nàng læåüng màût tråìi âáöu tiãn nàm 1946. Sau âoï Sven Ason Berglund âaî coï caïc phæång phaïp liãn quan âãún viãûc tàng khaí nàng caím nháûn aïnh saïng cuía pin. Xeït mäüt hãû hai mæïc nàng læåüng âiãûn tæí (hçnh 3.1) E1<E2, E2 bçnh thæåìng âiãûn tæí chiãúm mæïc nàng læåüng tháúp hån E1. Khi nháûn bæïc xaû màût tråìi, læåüng tæí hν aïnh saïng photon coï nàng læåüng hν (trong âoï h laì hàòng säú Planck, E1 ν laì táön säú aïnh saïng) bë âiãûn tæí háúp thuû vaì chuyãøn lãn mæïc nàng Hçnh 3.1. Hãû 2 mæïc nàng læåüng læåüng E2. Ta coï phæång trçnh cán bàòng nàng læåüng: hν = E2 - E1 (3.1) Trong caïc váût thãø ràõn, do tæång taïc ráút maûnh cuía maûng tinh thãø lãn âiãûn tæí voìng ngoaìi, nãn caïc mæïc nàng læåüng cuía noï bë taïch ra nhiãöu mæïc nàng læåüng saït nhau vaì taûo thaình caïc vuìng nàng læåüng (hçnh 3.2). Vuìng nàng læåüng tháúp bë caïc âiãûn tæí chiãúm âáöy khi åí traûng thaïi cán bàòng goüi laì vuìng hoaï trë, maì màût trãn cuía noï coï mæïc nàng 33
læåüng Ev. Vuìng nàng læåüng phêa trãn tiãúp âoï hoaìn toaìn träúng hoàûc chè bë chiãúm mäüt pháön goüi laì vuìng dáùn, màût dæåïi cuía vuìng coï nàng læåüng laì Ec. Caïch ly giæîa 2 vuìng hoïa trë vaì vuìng dáùn laì mäüt vuìng cáúp coï âäü räüng våïi nàng læåüng laì E , trong âoï khäng coï g E Vuìng dáùn mæïc nàng læåüng cho pheïp c naìo cuía âiãûn tæí. hν Eg Khi nháûn bæïc xaû màût tråìi, photon coï nàng Ev Vuìng hoaï trë læåüng hν tåïi hãû thäúng vaì bë âiãûn tæí åí vuìng hoaï trë tháúp háúp thu vaì noï coï thãø Hçnh 3.2 Caïc vuìng nàng læåüng chuyãøn lãn vuìng dáùn âãø tråí thaình âiãûn tæí tæû do e-, âãø laûi åí vuìng hoaï trë mäüt läù träúng coï thãø coi nhæ haût mang âiãûn dæång, kyï hiãûu laì h+. Läù träúng naìy coï thãø di chuyãøn vaì tham gia vaìo quaï trçnh dáùn âiãûn. Hiãûu æïng læåüng tæí cuía quaï trçnh háúp thuû photon coï thãø mä taí bàòng phæång trçnh: - + Ev + hν -> e + h (3.2) Âiãöu kiãûn âãø âiãûn tæí coï thãø háúp thuû nàng læåüng cuía photon vaì chuyãøn tæì vuìng hoaï trë lãn vuìng dáùn, taûo ra càûp âiãûn tæí - läù träúng laì hν = hc/λ ≥ Eg = Ec - Ev . Tæì âoï coï thãø tênh âæåüc bæåïc soïng tåïi haûn λc cuía aïnh saïng âãø coï thãø taûo ra càûp e- - h+ : hc hc 1,24 λc = = = , [µm] (3.3) Ec − Ev Eg Eg Trong thæûc tãú caïc haût dáùn bë kêch thêch e- vaì h+ âãöu tæû phaït tham gia vaìo quaï trçnh phuûc häöi, chuyãøn âäüng âãún màût cuía caïc vuìng nàng læåüng: âiãûn tæí e- giaíi phoïng nàng læåüng âãø chuyãøn âãún màût cuía + vuìng dáùn Ec, coìn läù träúng h chuyãøn âãún màût cuía Ev, quaï trçnh phuûc häöi chè xaíy ra trong khoaíng thåìi gian ráút ngàõn 10-12 ÷ 10-1 giáy vaì gáy 34
ra dao âäüng maûnh (photon). Nàng læåüng bë täøn hao do quaï trçnh phuûc häöi seî laì Eph = hν - Eg. Toïm laûi khi váût ràõn nháûn tia bæïc xaû màût tråìi, âiãûn tæí åí vuìng hoaï trë háúp thuû nàng læåüng photon hν vaì chuyãøn lãn vuìng dáùn taûo ra càûp haût dáùn âiãûn tæí - läù träúng e- - h+, tæïc laì âaî taûo ra mäüt âiãûn thãú. Hiãûn tæåüng âoï goüi laì hiãûu æïng quang âiãûn bãn trong. Bæåïc 1 ám tênh låïp n låïp p dæång tênh Bæåïc 2 âiãûn têch dæång ì ng låïp n Präton tiãúp xuïc p-n Âiãûn tæí û n træå låïp p âiã âiãûn têch ám Âiãûn tæí tæû do Bæåïc 3 phäton Màût tråìi Läù träïng ì ng låïp n tiãúp xuïc p-n û n træå ã låïp p âi Bæåïc 4 âiãûn tæí tæû do ì ng taíi âiãûn û n træå ã âi Hçnh Hçnh 3.3 2. N3guyã. Nguny ãlynï hoalyï hoaût âäût âäüngüng cu cuía íapin pin m mààût ûttrå tråìiìi 35
3.1.2. Hiãûu suáút cuía quaï trçnh biãún âäøi quang âiãûn Ta coï thãø xaïc âënh hiãûu suáút giåïi haûn vãö màût lyï thuyãút η cuía quaï trçnh biãún âäøi quang âiãûn cuía hãû thäúng 2 mæïc nhæ sau: λ c E J o (λ )dλ ∫o η = g (3.4) ∞ ⎡ hc ⎤ J o (λ ) dλ ∫o ⎣⎢ λ ⎦⎥ Trong âoï: Jo(λ) laì máût âäü photon coï bæåïc λ Jo(λ)dλ laì täøng säú photon tåïi coï bæåïc soïng trong khoaíng λ ÷ λ + dλ hc/λ laì nàng læåüng cuía photon λc J λ dλ Eg= ∫ 0 () laì nàng 0 η læåüng hæîu êch maì âiãûn tæí 0.5 háúp thuû cuía photon trong 0.4 quaï trçnh quang âiãûn, 0.3 ∞ ⎡hc⎤ J (λ) dλ 0.2 ∫ o ⎢ ⎥ laì täøng ⎣ λ ⎦ 0.1 o eV nàng læåüng cuía caïc photon 0 0.5 1 1.5 2 Eg tåïi hãû. Nhæ váûy hiãûu suáút η laì mäüt Hçnh 3.4. Quan hãû η( Eg) haìm cuía Eg (hçnh 3.4). Bàòng tênh toaïn lyï thuyãút âäúi våïi cháút baïn dáùn Silicon thç hiãûu suáút η ≤ 0,44. 3.1.3. Cáúu taûo pin màût tråìi Hëãn nay váût liãûu chuí yãúu cho pin màût tråìi laì caïc silic tinh thãø. Pin màût tråìi tæì tinh thãø silic chia ra thaình 3 loaûi: 36
• Mäüt tinh thãø hay âån tinh thãø module saín xuáút dæûa trãn quaï trçnh Czochralski. âån tinh thãø loaûi naìy coï hiãûu suáút tåïi 16%. Chuïng thæåìng ráút âàõt tiãön do âæåüc càõt tæì caïc thoíi hçnh äúng, caïc táúm âån thãø naìy coï caïc màût träúng åí goïc näúi caïc module. Hçnh 3.5. Pin màût tråìi • Âa tinh thãø laìm tæì caïc thoíi âuïc-âuïc tæì silic nung chaíy cáøn tháûn âæåüc laìm nguäüi vaì laìm ràõn. Caïc pin naìy thæåìng reí hån caïc âån tinh thãø, tuy nhiãn hiãûu suáút keïm hån. Tuy nhiãn chuïng coï thãø taûo thaình caïc táúm vuäng che phuí bãö màût nhiãöu hån âån tinh thãø buì laûi cho hiãûu suáút tháúp cuía noï. • Daíi silic taûo tæì caïc miãúng phim moíng tæì silic noïng chaíy vaì coï cáúu truïc âa tinh thãø. Loaûi naìy thæåìng coï hiãûu suáút tháúp nháút, tuy nhiãn loaûi naìy reí nháút trong caïc loaûi vç khäng cáön phaíi càõt tæì thoíi silicon. Mäüt låïp tiãúp xuïc baïn dáùn pn coï khaí nàng biãún âäøi træûc tiãúp nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi thaình âiãûn nàng nhåì hiãûu æïng quang âiãûn bãn trong goüi laì pin màût tråìi. Pin màût tråìi âæåüc saín xuáút vaì æïng duûng phäø biãún hiãûn nay laì caïc pin màût tråìi âæåüc chãú taûo tæì váût liãûu tinh thãø baïn dáùn silicon (Si) coï hoa ï trë 4. Tæì tinh thãø Si tinh khiãút, âãø coï váût liãûu tinh thãø baïn dáùn Si loaûi n, ngæåìi ta pha taûp cháút donor laì photpho coï hoaï trë 5. Coìn coï thãø coï váût liãûu baïn dáùn tinh thãø loaûi p thç taûp cháút acceptor âæåüc duìng âãø pha vaìo Si laì Bo coï hoaï trë 3. Âäúi våïi pin màût tråìi tæì váût liãûu tinh thãø Si khi bæïc xaû màût tråìi chiãúu âãún thç hiãûu âiãûn thãú håí maûch giæîa 2 cæûc khoaíng 0,55V vaì doìng âiãûn âoaín maûch cuía noï 37
khi bæïc xaû màût tråìi coï cæåìng Silicon âa 1 âäü 1000W/m2 vaìo khoaíng tinh thãø 25 ÷ 30 mA/cm2 . Hiãûn nay ngæåìi ta âaî chãú 2 Thoíi Silicon taûo pin màût tråìi bàòng váût liãûu Si vä âënh hçnh (a-Si). Boïc taûo thoíi So våïi pin màût tråìi tinh thãø 3 Si thç pin màût tråìi a-Si giaï thaình reí hån nhæng hiãûu Taûo Silicon suáút tháúp hån vaì keïm äøn 4 âån tinh thãø âënh. Ngoaìi Si, hiãûn nay ngæåìi Pha taûp cháút ta âang nghiãn cæïu vaì thæí 5 taûo baïn dáùn nghiãûm caïc loaûi váût liãûu Taûo bãö màût khaïc coï nhiãöu triãøn voüng 6 nhæ Sunfit cadmi-âäöng (CuCds), galium-arsenit Pin màût tråìi 7 (GaAs) âån Cäng nghãû chãú taûo pin màût tråìi gäöm nhiãöu cäng 8 Taûo âiãûn cæûc âoaûn khaïc nhau, vê duû âãø chãú taûo pin màût tråìi tæì Taûo tiãúp xuïc âiãûn, Silicon âa tinh thãø cáön qua 9 låïp baío vãû caïc cäng âoaûn nhæ hçnh 3.6 Âoïng khung cuäúi cuìng ta âæåüc module. 10 Thaình module Module 11 Pin màût tråìi Hçnh 3.6. Quaï trçnh taûo module 38
Táúm kênh phuí phêa trãn Táúm keo EVA Låïp caïc pin màût tråìi Táúm keo EVA Táúm âaïy Hçnh 3.7. Cáúu taûo module 3.2. THIÃÚT KÃÚ HÃÛ THÄÚNG ÂIÃÛN MÀÛT TRÅÌI Hãû thäúng âiãûn màût tråìi laì mäüt hãû thäúng bao gäöm mäüt säú caïc thaình pháön nhæ; caïc táúm pin màût tråìi (maïy phaït âiãûn), caïc taíi tiãu thuû âiãûn, caïc thiãút bë têch træî nàng læåüng vaì caïc thiãút bë âiãöu phäúi nàng læåüng, Thiãút kãú mäüt hãû thäúng âiãûn màût tråìi laì xáy dæûng mäüt quan hãû tæång thêch giæîa caïc thaình pháön cuía hãû vãö màût âënh tênh vaì âënh læåüng, âãø âaím baío mäüt sæû truyãön taíi nàng læåüng hiãûu quaí cao tæì maïy phaït - pin màût tråìi âãún caïc taíi tiãu thuû. Khäng nhæ caïc hãû nàng læåüng khaïc, “nhiãn liãûu” cuía maïy phaït âiãûn laì bæïc xaû màût tråìi, noï luän thay âäøi phæïc taûp theo thåìi gian, theo âëa Hçnh 3.8. Hãû thäúng pin màût tråìi. phæång vaì phuû thuäüc vaìo caïc âiãöu kiãûn khê háûu, thåìi tiãút, nãn våïi cuìng mäüt taíi âiãûn yãu cáöu, coï 39
thãø coï mäüt säú thiãút kãú khaïc nhau tuìy theo caïc thäng säú riãng cuía hãû. Vç váûy, noïi chung khäng nãn aïp duûng caïc hãû thiãút kãú “máùu” duìng cho táút caí hãû thäúng âiãûn màût tråìi. Thiãút kãú mäüt hãû thäúng âiãûn màût tråìi bao gäöm nhiãöu cäng âoaûn, tæì viãûc læûa choün så âäö khäúi, tênh toaïn dung læåüng daìn pin màût tråìi vaì bäü acquy, thiãút kãú caïc thiãút bë âiãûn tæí âiãöu phäúi nhæ caïc bäü âiãöu khiãøn, âäøi âiãûn, âãún viãûc tênh toaïn làõp âàût caïc hãû giaï âåî pin màût tråìi, hãû âënh hæåïng daìn pin màût tråìi theo vë trê màût tråìi, nhaì xæåíng âàût thiãút bë, acquy, Trong taìi liãûu nayì cuïng täi chè giåïi thiãûu nhæîng cäng âoaûn quan troüng nháút nhæ læûa choün så âäö khäúi, tênh toaïn dung læåüng daìn pin màût tråìi, dung læåüng acquy vaì làõp âàût hãû thäúng. Trong hai thaình pháön âæåüc quan tám åí âáy - daìn pin màût tråìi vaì bäü acquy - laì hai thaình pháön chênh cuía hãû thäúng vaì chiãúm mäüt tyí troüng låïn nháút trong chi phê cho mäüt hãû thäúng âiãûn màût tråìi. Cuìng mäüt phuû taíi tiãu thuû, coï nhiãöu phæång aïn læûa choün hãû thäúng âiãûn màût tråìi trong âoï giæîa dung læåüng daìn pin màût tråìi vaì bäü acquy coï quan hãû tæång häù sau: - Tàng dung læåüng acquy thç giaím âæåüc dung læåüng daìn pin màût tråìi; - Tàng dung læåüng daìn pin màût tråìi, giaím âæåüc dung læåüng acquy. Tuy nhiãn, nãúu læûa choün dung læåüng daìn pin màût tråìi quaï nhoí, thç acquy seî bë phoïng kiãût hoàûc luän luän bë “âoïi”, dáùn âãún hæ hoíng. Ngæåüc laûi nãúu dung læåüng daìn pin màût tråìi quaï låïn seî gáy ra laîng phê låïn. Do váûy phaíi læûa choün thêch håüp âãø hãû thäúng hoaût âäüng coï hiãûu quaí nháút. Trong thæûc tãú coï nhæîng hãû thäúng âiãûn màût tråìi nàòm trong nhæîng täø håüp hãû thäúng nàng læåüng, gäöm hãû thäúng âiãûn màût tråìi, maïy phaït âiãûn gioï, maïy phaït diezen, Trong hãû thäúng âoï, âiãûn nàng tæì hãû thäúng âiãûn màût tråìi âæåüc “hoìa” vaìo læåïi âiãûn chung cuía täø håüp hãû thäng.ú 40
3.2.1. Caïc thäng säú cáön thiãút âãø thiãút kãú hãû thäúng âiãûn màût tråìi Âãø thiãút kãú, tênh toaïn mäüt hãû thäúng âiãûn màût tråìi træåïc hãút cáön mäüt säú thäng säú chênh sau âáy: - Caïc yãu cáöu vaì caïc âàûc træng cuía phuû taíi; - Vë trê làõp âàût hãû thäúng. Yãu cáöu vaì caïc âàûc træng cuía phuû taíi Âäúi våïi caïc phuû taíi, cáön phaíi biãút caïc thäng säú sau: - Gäöm bao nhiãu thiãút bë, caïc âàûc træng âiãûn cuía mäùi thiãút bë nhæ cäng suáút tiãu thuû, hiãûu âiãûn thãú vaì táön säú laìm viãûc, hiãûu suáút cuía caïc thiãút bë âiãûn, - Thåìi gian laìm viãûc cuía mäùi thiãút bë bao gäöm thåìi gian biãøu vaì quaîng thåìi gian trong ngaìy, trong tuáön, trong thaïng, - Thæï tæû æu tiãn cuía caïc thiãút bë. Thiãút bë naìo cáön phaíi hoaût âäüng liãn tuûc vaì yãu cáöu âäü äøn âënh cao, thiãút bë naìo coï thãø ngæìng taûm thåìi. Caïc thäng säú trãn træåïc hãút cáön thiãút cho viãûc læûa choün så âäö khäúi. Vê duû nãúu taíi laìm viãûc vaìo ban âãm thç hãû cáön phaíi coï thaình pháön têch træî nàng læåüng, taíi laìm viãûc våïi âiãûn xoay chiãöu hiãûu âiãûn thãú cao thç cáön duìng caïc bäü âäøi âiãûn. Ngoaìi ra caïc thäng säú naìy cuîng chênh laì cå såí âãø tênh toaïn âënh læåüng dung læåüng cuía hãû thäúng. Vë trê làõp âàût hãû thäúng Yãu cáöu naìy xuáút phaït tæì viãûc thu nháûp caïc säú liãûu vãö bæïc xaû màût tråìi vaì caïc säú liãûu thåìi tiãút khê háûu khaïc. Nhæ âaî trçnh baìy, bæïc xaû màût tråìi phuû thuäüc vaìo tæìng âëa âiãøm trãn màût âáút vaì caïc âiãöu kiãûn tæû nhiãn cuía âëa âiãøm âoï. Caïc säú liãûu vãö bæïc xaû màût tråìi vaì khê háûu, thåìi tiãút âæåüc caïc traûm khê tæåüng ghi laûi vaì xæí lyï trong caïc khoaíng thåìi gian ráút daìi, haìng chuûc, coï khi haìng tràm nàm. Vç caïc thäng säú naìy biãún âäøi ráút phæïc taûp, nãn våïi muûc âêch thiãút kãú âuïng hãû thäúng âiãûn màût tråìi cáön phaíi láúy säú liãûu åí caïc traûm khê tæåüng âaî hoaût âäüng trãn mæåìi nàm. Cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi taûi mäüt âiãøm báút kyì trãn traïi âáút chuïng ta coï thãø xaïc âënh theo muûc 2.2. Khi thiãút kãú hãû thäúng âiãûn màût 41
tråìi, roî raìng âãø cho hãû coï thãø cung cáúp âuí nàng læåüng cho taíi trong suäút caí nàm, ta phaíi choün giaï trë cæåìng âäü täøng xaû cuía thaïng tháúp nháút trong nàm laìm cå såí. Táút nhiãn khi âoï, åí caïc thaïng muìa heì nàng læåüng cuía hãû seî dæ thæìa vaì coï thãø gáy laîng phê låïn nãúu khäng duìng thãm caïc taíi phuû. Ta khäng thãø duìng caïc bäü têch træî nàng læåüng nhæ acquy âãø têch træî âiãûn nàng trong caïc thaïng muìa heì âãø duìng trong caïc thaïng muìa âäng vç khäng kinh tãú. Âãø giaíi quyãút váún âãö trãn ngæåìi ta coï thãø duìng thãm mäüt nguäön âiãûn dæû phoìng (vê duû maïy phaït diezen, maïy näø) cáúp âiãûn thãm cho nhæîng thaïng coï cæångì âäü bæïc xaû màût tråìi tháúp hoàûc sæí duûng cäng nghãû nguäön täø håüp (hybrid system technology). Trong træåìng håüp naìy coï thãø choün cæåìng âäü bæïc xaû trung bçnh trong nàm âãø tênh toaïn vaì do âoï giaím âæåüc dung læåüng daìn pin màût tråìi. Ngoaìi ra coìn mäüt thäng säú khaïc liãn quan âãún bæïc xaû màût tråìi laì säú ngaìy khäng coï nàõng trung bçnh trong nàm. Nãúu khäng tênh âãún thäng säú naìy, vaìo muìa mæa, coï thãø coï mäüt säú ngaìy khäng coï nàõng, acquy seî bë kiãût vaì taíi phaíi ngæìng hoaût âäüng. Muäún cho taíi coï thãø laìm viãûc liãn tuûc trong caïc ngaìy khäng coï nàõng cáön phaíi tàng thãm dung læåüng acquy dæû træî âiãûn nàng Vë trê làõp âàût hãû thäúng âiãûn màût tråìi coìn duìng âãø xaïc âënh goïc nghiãng cuía daìn pin màût tråìi sao cho khi âàût cäú âënh hãû thäúng coï thãø nháûn âæåüc täøng cæåìng âäü bæïc xaû låïn nháút. Nãúu goüi β laì goïc nghiãng cuía daìn pin màût tråìi so våïi màût phàóng ngang (hçnh 3.9), thç thäng β thæåìng ta choün 0 β= ϕ ± 10 Hçnh 3.9. Goïc nghiãng β cuía hãû thäúng 42
våïi ϕ laì vé âäü nåi làõp âàût. Coìn hæåïng, nãúu åí baïn cáöu Nam thç quay vãö hæåïng Bàõc, nãúu åí baïn cáöu Bàõc thç quay vãö hæåïng Nam. Ngoaìi ra viãûc âàût nghiãng daìn pin coìn coï mäüt yï nghéa khaïc âoï laì khaí nàng tæû laìm saûch. Khi coï mæa, do màût daìn pin nghiãng nãn næåïc mæa seî táøy ræía buûi báøn báúm trãn màût pin, laìm tàng khaí nàng háúp thuû bæïc xaû màût tråìi cuía daìn pin. ÅÍ caïc vë trê làõp âàût khaïc nhau, nhiãût âäü mäi træåìng cuîng khaïc nhau vaì do âoï nhiãût âäü laìm viãûc cuía pin màût tråìi cuîng khaïc nhau. Thäng thæåìng nhiãût âäü laìm viãûc cuía pin màût tråìi cao hån nhiãût âäü mäi træåìng (20 ÷ 250C) vaì tuìy thuäüc vaìo täúc âäü gioï. Vç khi nhiãût âäü tàng, hiãûu suáút cuía module pin Màût tråìi ηM giaím vaì coï thãø biãøu diãùn bàòng quan hãû sau: ηM(T) = ηM(TC).{1+PC.(T – TC)} (3.5) åí âáy : ηM(T) laì hiãûu suáút cuía module åí nhiãût âäü T; 0 ηM(TC) laì hiãûu suáút cuía module åí nhiãût âäü chuáøn TC = 25 C; PC laì hãû säú nhiãût âäü cuía module. Trong tênh toaïn thæûc tãú 0 thæåìng láúy giaï trë gáön âuïng bàòng PC = -0,005/ C. . 3.2.2. Caïc bæåïc thiãút kãú hãû thäúng âiãûn màût tråìi 3.2.2.1. Læûa choün så âäö khäúi Tæì sæû phán têch caïc yãu cáöu vaì caïc âàûc træng cuía caïc phuû taíi âiãûn ta seî choün mäüt så âäö khäúi thêch håüp. Hçnh 3.10 laì så âäö khäúi thæåìng duìng âäúi våïi caïc hãû thäúng âiãûn màût tråìi. Nguäön âiãûn Bäü âiãöu Bäü âäøi âiãûn Phuû Pin màût tråìi khiãøn DC-AC taíi Acquy Hçnh 3.10. Så âäö khäúi hãû thäúng âiãûn màût tråìi 43
Caïc khäúi âæa vaìo trong hãû thäúng âãöu gáy ra täøn hao nàng læåüng. Vç váûy cáön læûa choün så âäö khäúi sao cho säú khäúi hay thaình pháön trong hãû laì êt nháút. Vê duû, nãúu taíi laì caïc thiãút bë 12 VDC (âeìn 12 VDC, radio, TV âen tràõng coï äø càõm âiãûn 12 VDC, thç khäng nãn duìng bäü biãún âäøi âiãûn. 3.3.2. Tênh toaïn hãû nguäön âiãûn pin màût tråìi Coï nhiãöu phæång phaïp tênh toaïn, thiãút kãú hãû nguäön âiãûn pin màût tråìi. ÅÍ âáy chè nãu mäüt phæång phaïp thäng duûng nháút chuí yãúu dæûa trãn sæû cán bàòng âiãûn nàng trung bçnh haìng ngaìy. Theo phæång phaïp naìy, caïc tênh toaïn hãû nguäön coï thãø âæåüc tiãún haình qua nhiãöu bæåïc theo thæï tæû sau. 1- Tênh phuû taíi âiãûn yãu cáöu Phuû taíi âiãûn coï thãø tênh theo haìng ngaìy vaì sau âoï coï thãø tênh theo thaïng hoàûc nàm. Giaí sæí hãû cáön cáúp âiãûn cho caïc taíi T1, T2, T3, coï caïc cäng suáút tiãu thuû tæång æïng P1, P2, P3, vaì thåìi gian laìm viãûc haìng ngaìy cuía chuïng laì τ1, τ2, τ3, Täøng âiãûn nàng phaíi cáúp haìng ngaìy cho caïc taíi bàòng täøng táút caí âiãûn nàng cuía caïc taíi: n Eng = P1τ1 + P2τ2 + P3τ3 + = ∑ Piτ i (3.6) i=1 Tæì Eng nãúu nhán våïi säú ngaìy trong thaïng hoàûc trong nàm ta seî tênh âæåüc nhu cáöu âiãûn nàng trong caïc thaïng hoàûc caí nàm. 2-Tênh nàng læåüng âiãûn màût tråìi cáön thiãút Ecáúp Nàng læåüng âiãûn haìng ngaìy daìn pin màût tråìi cáön phaíi cáúp cho hãû, Ecáúp âæåüc xaïc âënh theo cäng thæïc: E E = ng (3.7) cáúp η n Trong âoï η = η1.η2.η3 ηn = ∏ηi (3.8) i=1 44
våïi η1 = hiãûu suáút cuía thaình pháön thæï nháút, vê duû bäü biãún âäøi âiãûn; η2 = hiãûu suáút cuía thaình pháön thæï hai, vê duû bäü âiãöu khiãøn; η3 = hiãûu suáút naûp/ phoïng âiãûn cuía bäü acquy, v.v 3- Tênh cäng suáút daìn pin màût tråìi Wp (Peak Watt) Cäng suáút daìn pin màût tråìi thæåìng âæåüc tênh ra cäng suáút âènh hay cæûc âaûi (Peak Watt, kê hiãûu laì Wp), tæïc laì cäng suáút maì daìn pin phaït ra åí âiãöu kiãûn chuáøn: 2 0 E0 = 1000 W/m vaì åí nhiãût âäü chuáøn T0 = 25 C. Ta tênh cho træåìng håüp daìn pin màût tråìi phaíi âaím baío âuí nàng læåüng cho taíi liãn tuûc caí nàm. Khi âoï cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi duìng âãø tênh phaíi laì cæåìng âäü bæïc xaû haìng ngaìy trung bçnh cuía thaïng tháúp nháút trong nàm. Nãúu goüi EβΣ täøng cæåìng âäü bæïc xaû trãn màût phàóng âàût nghiãng mäüt goïc β so våïi màût phàóng ngang âæåüc tênh theo muûc 2.2. Thç cäng suáút daìn pin màût tråìi tênh ra Peak Watt (WP) seî laì: 2 Ecáp .1000Wh / m E(WP) = , [WP] (3.9) Eβ ∑ 2 trong doï cæåìng âäü täøng xaû trãn màût nghiãng EβΣ tênh theo Wh/m .ngaìy 2 vaì ta âaî âàût cæåìng âäü täøng xaû chuáøn E0 = 1000 W/m . Dung læåüng daìn pin màût tråìi E(WP) tênh theo cäng thæïc trãn chè 0 âuí cáúp cho taíi åí nhiãût âäü chuáøn T0 = 25 C. Khi laìm viãûc ngoaìi tråìi, do nhiãût âäü cuía caïc pin màût tråìi cao hån nhiãût âäü chuáøn, nãn hiãûu suáút biãún âäøi quang âiãûn cuía pin vaì modun pin màût tråìi bë giaím. Âãø hãû thäúng laìm viãûc bçnh thæåìng ta phaíi tàng dung læåüng táúm pin lãn. Goüi dung læåüng cuía daìn pin coï kãø âãún hiãûu æïng nhiãût âäü laì E(WP, T) thç E (WP ) E(WP,T) = , [WP] (3.10) η m (T ) trong âoï ηM(T) laì hiãûu suáút cuía module åí nhiãût âäü T 45
Trong thæûc tãú âãø thiãút kãú daìn pin màût tråìi coï cäng suáút phuì håüp våïi phuû taíi coìn phuû thuäüc ráút nhiãöu yãúu täú cuû thãø. Do váûy ngoaìi E(Wp,T) âæåüc tênh theo cäng thæïc trãn coìn phaíi dæûa nhiãöu vaìo kinh nghiãûm cuía ngæåìi thiãút kãú. 4- Tênh säú modun màõc song song vaì näúi tiãúp Træåïc hãút cáön læûa choün loaûi modun thêch håüp coï caïc âàûc træng cå baín laì: - Thãú laìm viãûc täúi æu Vmd; - Doìng âiãûn laìm viãûc täúi æu Imd; - Cäng suáút âènh Pmd. Säú modun cáön phaíi duìng cho hãû thäúng âæåüc tênh tæì tyí säú: E (WP ,T ) N = våïi N = Nnt.Nss. (3.11) Pmd Nnt laì säú modun màõc näúi tiãúp trong mäùi daîy âæåüc xaïc âënh tæì âiãûn thãú yãu cáöu cuía hãû V: V Nnt = (3.12) Vmd Nss laì säú daîy modun gheïp song song âæåüc xaïc âënh tæì doìng âiãûn toaìn pháön cuía hãû I: I Nss = (3.13) Imd Trong tênh toaïn åí trãn, ta âaî boí qua âiãûn tråí dáy näúi, sæû hao phê nàng læåüng do buûi phuí trãn daìn pin màût tråìi, Nãúu cáön phải tênh âãún caïc hao phê âoï, ngæåìi ta thæåìng âæa vaìo mäüt hãû säú K vaì dung læåüng daìn pin màût tråìi khi âoï seî laì: K.E(WP,T) (3.14) Våïi K âæåüc choün trong khoaíng (1 ÷ 1,2) tuìy theo caïc âiãöu kiãûn thæûc tãú, vaì thæåìng âæåüc goüi laì caïc hãû säú an toaìn cuía hãû. 46
5- Dung læåüng cuía bäü acquy tênh theo ampe-giåì, Ah Dung læåüng cuía Bäü acquy tênh ra Ah phuû thuäüc vaìo hiãûu âiãûn thãú laìm viãûc cuía hãû V, säú ngaìy cáön dæû træî nàng læåüng (säú ngaìy khäng coï nàõng) D, hiãûu suáút naûp phoïng âiãûn cuía acquy ηb, âäü sáu phoïng âiãûn thêch håüp DOS (khoaíng 0,6 ÷ 0,7) vaì âæåüc tênh theo cäng thæïc sau: E .D C = out , [Ah] (3.15) Vxηb .DOS Nãúu V laì hiãûu âiãûn thãú laìm viãûc cuía hãû thäúng nguäön, coìn v laì hiãûu âiãûn thãú cuía mäùi bçnh acquy, thç säú bçnh màõc näúi tiãúp trong bäü laì: V n = (3.16) nt v Säú daîy bçnh màõc song song laì: C nss = (3.17) Cb trong âoï mäùi bçnh coï dung læåüng Cb tênh ra Ah. Täøng säú bçnh acquy âæåüc xaïc âënh nhæ sau: C V n = . (3.18) Cb v Trong cäng thæïc trãn D laì säú ngaìy dæû phoìng khäng coï nàõng âæåüc læûa choün dæûa trãn säú liãûu khê tæåüng vãö säú ngaìy khäng coï nàõng trung bçnh trong thaïng âaî noïi åí trãn vaì vaìo yãu cáöu thæûc tãú cuía taíi tiãu thuû. Tuy nhiãn khäng Hçnh 3.11. Bäü acquy nãn choün D quaï låïn, 47
vê duû > 10 ngaìy, vç khi âoï dung læåüng acquy seî ráút låïn, væìa täún keïm vãö chi phê, laûi væìa laìm cho acquy khäng khi naìo âæåüc naûp âáöy, gáy hæ hoíng cho acuqy. Thäng thæåìng D âæåüc choün trong khoaíng tæì 3 âãún 10 ngaìy. 3.2.2.2. Caïc bäü âiãöu phäúi nàng læåüng Trong hãû nguäön pin màût tråìi täøng quaït âæåüc cho trong så âäö khäúi hçnh 3.10. Caïc bäü âiãöu phäúi nàng læåüng gäöm coï Bäü âiãöu khiãøn quaï trçnh naûp - phoïng âiãûn cho acquy vaì bäü biãún âäøi âiãûn DC-AC. Âãø thiãút kãú, chãú taûo vaì làõp âàût caïc bäü âiãöu phäúi naìy cáön xaïc âënh mäüt säú thäng säú cå baín dæåïi âáy. Bäü âiãöu khiãøn naûp - phoïng âiãûn Bäü âiãöu khiãøn laì mäüt thiãút bë âiãûn tæí coï chæïc nàng kiãøm soaït tæû âäüng caïc quaï trçnh naûp vaì phoïng âiãûn cuía bäü acquy. Bäü âiãöu khiãøn theo doîi traûng thaïi cuía acquy thäng qua hiãûu âiãûn thãú trãn caïc âiãûn cæûc cuía noï. Caïc thäng säú kyî thuáût chênh dæåïi âáy cáön phaíi âæåüc Hçnh 3.12. Bäü âiãöu khiãøn naûp phoïng quan tám. - Ngæåîng âiãûn thãú càõt trãn Vmax: Ngæåîng âiãûn thãú càõt trãn Vmax laì giaï trë hiãûu âiãûn thãú trãn hai cæûc cuía bäü acquy âaî âæåüc naûp âiãûn âáöy, dung læåüng âaût 100%. Khi âoï nãúu tiãúp tuûc naûp âiãûn cho acquy thç acquy seî bë quaï âáöy, dung dëch acquy seî bë säi dáùn âãún sæû bay håi næåïc vaì laìm hæ hoíng caïc baín cæûc. Vç váûy khi coï dáúu hiãûu acquy âaî âæåüc naûp âáöy, hiãûu âiãûn thãú trãn caïc cæûc bäü acquy âaût âãún V = Vmax, thç bäü âiãöu khiãøn seî tæû âäüng càõt hoàûc haûn chãú doìng naûp âiãûn tæì daìn pin màût tråìi. Sau âoï khi hiãûu âiãûn thãú bäü acquy 48
giaím xuäúng dæåïi giaï trë ngæåîng, bäü âiãöu khiãøn laûi tæû âäüng âoïng maûch naûp laûi. - Ngæåîng càõt dæåïi Vmin: Ngæåîng càõt dæåïi Vmin laì giaï trë hiãûu âiãûn thãú trãn hai cæûc bäü acquy khi acquy âaî phoïng âiãûn âãún giaï trë cáûn dæåïi cuía dung læåüng acquy (vê duû, âäúi våïi acquy chç-axit, khi trong acquy chè coìn laûi 30% dung læåüng). Nãúu tiãúp tuûc sæí duûng acquy thç noï seî bë phoïng âiãûn quaï kiãût, dáùn âãún hæ hoíng acquy. Vç váûy, khi bäü âiãöu khiãøn nháûn tháúy hiãûu âiãûn thãú bäü acquy V ≤ Vmin thç noï seî tæû âäüng càõt maûch taíi tiãu thuû. Sau âoï nãúu hiãûu âiãûn thãú bäü acquy tàng lãn trãn giaï trë ngæåîng, bäü âiãöu khiãøn laûi tæû âäüng âoïng maûch naûp laûi. Âäúi våïi acquy chç-axit, hiãûu âiãûn thãú chuáøn trãn caïc cæûc cuía mäüt bçnh laì V = 12 V, thç thäng thæåìng ngæåìi ta choün Vmax = (14,0 ÷ 14,5) V, coìn Vmin = (10,5 ÷ 11,0) V. - Âiãûn thãú trãù ∆V: laì giaï trë khoaíng hiãûu âiãûn thãú laì hiãûu säú cuía caïc giaï trë âiãûn thãú càõt trãn hay càõt dæåïi vaì âiãûn thãú âoïng maûch laûi cuía Bäü âiãöu khiãøn, tæïc laì: ∆V = Vmax - Vâ hay ∆V = Vmin - Vâ våïi Vâ laì giaï trë âiãûn thãú âoïng maûch tråí laûi cuía bäü âiãöu khiãøn. Thäng thæåìng ∆V khoaíng 1 ÷ 2 V. - Cäng suáút P cuía bäü âiãöu khiãøn: thäng thæåìng nàòm trong daíi: 1,3 PL ≤ P ≤ 2 PL trong âoï PL laì täøng cäng suáút caïc taíi coï trong hãû nguäön, PL = ΣPi, i= 1, 2, - Hiãûu suáút cuía bäü âiãöu khiãøn phaíi caìng cao caìng täút, êt nháút cuîng phaíi âaût giaï trë låïn hån 85%. Bäü biãún âäøi âiãûn DC-AC Bäü biãún âäøi âiãûn coï chæïc nàng biãún âäøi doìng âiãûn mäüt chiãöu (DC) tæì daìn pin màût tråìi hoàûc tæì bäü acquy thaình doìng âiãûn xoay chiãöu (AC). Caïc thäng säú kyî thuáût chênh cáön quan tám bao gäöm: 49
- Thãú vaìo Vin mäüt chiãöu; - Thãú ra Vout xoay chiãöu; - Táön säú vaì daûng dao âäüng âiãûn; - Cäng suáút yãu cáöu cuîng âæåüc xaïc âënh nhæ âäúi våïi bäü âiãöu khiãøn, nhæng åí âáy chè tênh caïc taíi cuía riãng bäü biãún âäøi âiãûn; - Hiãûu suáút biãún âäøi η phaíi âaût yãu cáöu η ≥ 85% âäúi våïi træåìng håüp soïng âiãûn xoay chiãöu coï daûng vuäng goïc hay biãún âiãûu vaì η≥75% âäúi våïi bäü biãún âäøi coï soïng âiãûn ra hçnh sin. Viãûc duìng bäü biãún âäøi âiãûn coï tên hiãûu ra daûng xung vuäng, biãún âiãûu hay hçnh sin laûi phuû thuäüc vaìo taíi tiãu thuû. Nãúu taíi chè laì ti vi, radio, tàng ám, thç chè cáön duìng loaûi soïng ra daûng xung vuäng hay biãún âiãûu. Hçnh 3.13. Bäü chuyãøn âäøi Nhæng nãúu taíi laì caïc âäüng cå âiãûn, quaût âiãûn, tæïc laì nhæîng thiãút bë coï cuäün caím thç phaíi duìng caïc bäü biãún âäøi coï soïng ra daûng sin. Vç hiãûu âiãûn thãú trong hãû nguäön âiãûn pin màût tråìi thay âäøi theo cæåìng âäü bæïc xaû vaì traûng thaïi naûp cuía acquy, nãn caïc âiãûn thãú vaìo vaì ra cuía bäü âiãöu khiãøn cuîng nhæ bäü biãún âäøi âiãûn phaíi âæåüc thiãút kãú trong mäüt khoaíng dao âäüng khaï räüng naìo âoï. Vê duû âäúi våïi hãû nguäön laìm viãûc våïi âiãûn thãú V = 12V thç bäü âiãöu khiãøn vaì bäü âäøi âiãûn phaíi laìm viãûc âæåüc trong giaíi âiãûn thãú tæì Vmin = 10 V âãún Vmax = 15 V. Âãø coï thãø dãù daìng kiãøm tra, theo doîi quaï trçnh hoaût âäüng cuía hãû noïi chung vaì cuía tæìng thaình pháön noïi riãng cáön phaíi làõp âàût thãm caïc bäü chè thë nhæ: 50
- Chè thë âiãûn thãú ra, doìng ra cuía táúm pin màût tråìi; - Chè thë doìng vaì âiãûn thãú naûp acquy; - Chè thë doìng vaì âiãûn thãú cáúp cho taíi; - Chè thë mæïc âäü naûp hoàûc phoïng âiãûn cho acquy; - Chè thë nhiãût âäü cuía táúm pin màût tråìi, cuía acquy hoàûc cuía caïc thaình pháön khaïc trong hãû thäúng. Nhåì caïc chè thë naìy ta coï thãø nhanh choïng xaïc âënh âæåüc traûng thaïi laìm viãûc cuía hãû, giuïp tçm caïc hæ hoíng trong hãû mäüt caïch dãù daìng hån. Khäng nháút thiãút phaíi làõp âàût táút caí caïc chè thë trãn maì coï thãø chè cáön mäüt säú chè thë quan troüng nháút tuìy thuäüc âàûc âiãøm cuía hãû nguäön Âãø baío vãû daìn pin màût tråìi khoíi caïc hæ hoíng trong caïc træåìng håüp mäüt hoàûc mäüt vaìi pin hay modun trong daìn pin bë hæ hoíng, bë boïng che, bë buûi báøn bao phuí, ngæåìi ta duìng caïc diot baío vãû màõc song song vaì. Cáön phaíi læûa choün caïc diot thêch håüp, tæïc laì chëu âæåüc doìng âiãûn vaì hiãûu âiãûn thãú cæûc âaûi trong maûch cuía diot. Sæû âæa vaìo caïc diot baío vãû trong maûch gáy ra mäüt täøn hao nàng læåüng cuía hãû vaì suût thãú trong maûch. Vç váûy cáön phaíi tênh âãún caïc täøn hao naìy khi thiãút kãú, tênh toaïn hãû nàng læåüng. Häüp näúi vaì dáy näúi âiãûn Khi làõp âàût caïc modun hay daìn pin màût tråìi, bäü acquy, caïc bäü âiãöu phäúi trong hãû våïi nhau ngæåìi ta duìng caïc häüp näúi coï caïc âáöu näúi riãng, thaïo làõp dãù daìng. Khi cáön kiãøm tra sæía chæîa, nhåì caïc häüp näúi vaì âáöu näúi naìy, coï thãø taïch riãng tæìng thaình pháön hoàûc caïc pháön khaïc nhau trong mäüt thaình pháön. Caïc häüp näúi vaì âáöu näúi cuía modun pin màût tråìi cáön âæåüc baío vãû cáøn tháûn vç noï phaíi laìm viãûc láu daìi åí ngoaìi tråìi. Caïc hãû thäúng pin màût tråìi bao giåì cuîng coï mäüt pháön hoàûc toaìn bäü hãû laìm viãûc våïi caïc hiãûu âiãûn thãú tháúp (vê duû hiãûu âiãûn thãú cuía táúm pin màût tråìi vaì acquy thæåìng laì 12 V, 24 V, 48 V ) nãn doìng âiãûn trong maûch låïn. Vç váûy caïc dáy näúi trong hãû phaíi duìng loaüi tiãút diãûn âuí 51
låïn vaì bàòng váût liãûu coï âäü dáùn âiãûn cao âãø giaím täøn hao nàng læåüng trãn caïc dáy. Viãûc læûa choün tiãút diãûn dáy dáùn phuû thuäüc vaìo cæåìng âäü doìng âiãûn vaì vaìo váût liãûu dáy dáùn (Baíng 3.1). Baíng 3.1. Quan hãû giæîa cæåìng âäü doìng âiãûn vaì tiãút diãûn dáy dáùn TT Tiãút diãûn dáy Cæåìng âäü doìng âiãûn (A) âäúi våïi caïc váût liãûu dáùn (mm2) Cu Al Fe 1 1,0 11 8 7 2 1,5 14 11 8 3 2,5 20 16 9 4 4,0 25 20 10 5 6,0 31 24 12 6 10,0 43 34 17 7 16,0 75 60 30 8 25,0 100 80 35 3.3. ÆÏNG DUÛNG PIN MÀÛT TRÅÌI Pin màût tråìi laì phæång phaïp saín xuáút âiãûn træûc tiãúp tæì NLMT qua thiãút bë biãún âäøi quang âiãûn. Pin màût tråìi coï æu âiãøm laì goün nheû coï thãø làõp báút kyì åí âáu coï aïnh saïng màût tråìi, âàûc biãût laì trong lénh væûc taìu vuî truû. ÆÏng duûng NLMT dæåïi daûng naìy âæåüc phaït triãøn våïi täúc âäü ráút nhanh, nháút laì åí caïc næåïc phaït triãøn. Ngaìy nay con ngæåìi âaî æïng duûng pin màût tråìi trong ráút nhiãöu duûng cuû caï nhán nhæ Hçnh 3.14. Xe duìng pin màût tråìi 52
maïy tênh, âäöng häö vaì caïc âäö duìng haìng ngaìy. Pin màût tråìi coìn duìng âãø chaûy xe ätä thay thãú dáön nguäön nàng læåüng truyãön thäúng, duìng thàõp saïng âeìn âæåìng, âeìn sán væåìn vaì sæí duûng trong tæìng häü gia âçnh. Trong cäng nghãûp ngæåìi ta cuîng bàõt âáöu làõp âàût caïc hãû thäúng âiãûn duìng pin màût tråìi våïi cäng suáút låïn. Hiãûn nay giaï thaình thiãút bë pin màût tråìi coìn khaï cao, trung bçnh hiãûn nay khoaíng 5USD/WP, nãn åí nhæîng næåïc âang phaït triãøn pin màût tråìi hiãûn måïi chè coï khaí nàng duy nháút laì cung cáúp nàng læåüng âiãûn sæí duûng cho caïc vuìng sáu, xa nåi maì âæåìng âiãûn quäúc gia chæa coï. ÅÍ Viãût Nam, våïi sæû häù tråü cuía mäüt säú täø chæïc quäúc tãú âaî thæûc hiãûn cäng viãûc xáy dæûng caïc traûm âiãûn duìng pin màût tråìi coï cäng suáút khaïc nhau phuûc vuû Hçnh 3.15. Âeìn duìng pin màût tråìi nhu cáöu sinh hoaût vaì vàn hoaï cuía caïc âëa phæång vuìng sáu, vuìng xa, nháút laì âäöng bàòng säng Cæíu Long vaì Táy Nguyãn. Tuy nhiãn hiãûn nay pin màût tråìi váùn âang coìn laì moïn haìng xa xè âäúi våïi caïc næåïc ngheìo nhæ chuïng ta. Trãn thãú giåïi ngæåìi ta bàõt âáöu xáy dæûng caïc nhaì maïy quang âiãûn màût tråìi våïi cäng suáút låïn. Hçnh 3.16. Làõp pin màût tråìi åí nhaì 53
Hçnh 3.17. Hãû thäúng âiãûn màût tråìi åí Los Angeles Mäüt nhaì maïy âiãûn màût tråìi quy mä låïn cäng suáút 154MW näúi våïi læåïi âiãûn quäúc gia våïi trë giaï 420 triãûu Âäla, âáy laì nhaì maïy quang âiãûn låïn nháút vaì hiãûu quaí nháút thãú giåïi seî âæåüc xáy dæûng åí Táy Bàõc bang Victoria - Australia. Nhaì maïy naìy seî sæí duûng cäng nghãû táûp trung quang nàng bàòng kênh hæåïng nháût (HCPV) (Caïc táúm gæång doì theo hæåïng màût tråìi). Nhaì maïy seî bao gäöm nhiãöu baîi âàût kênh hæåïng nháût thu aïnh nàõng màût tråìi vaìo caïc bçnh chæïa. Caïc thiãút bë thu naìy chæïa nhiãöu module gäöm nhiãöu daîy táúm pin màût tråìi hiãûu suáút siãu cao seî chuyãøn træûc tiãúp aïnh saïng màût tråìi thaình âiãûn nàng. 54
CHÆÅNG 4 THIÃÚT BË NHIÃÛT MÀÛT TRÅÌI Khaïc våïi pin màût tråìi, thiãút bë nhiãût màût tråìi nháûn bæïc xaû nhiãût màût tråìi vaì têch træî nàng læåüng dæåïi daûng nhiãût nàng. Thiãút bë nhiãût màût tråìi coï ráút nhiãöu loaûi khaïc nhau tuyì thuäüc vaìo muûc âêch sæí duûng cuía chuïng. 55
4.1. CÅ SÅÍ LYÏ THUYÃÚT TÊNH TOÏAN THIÃÚT BË 4.1.1. Caïc âënh luáût cå baín vãö bæïc xaû 4.1.1.1. Âënh luáût Planck Âënh luáût Planck thiãút láûp mäúi quan hãû giæîa nàng suáút bæïc xaû âån sàõc cuía váût âen tuyãût âäúi våïi bæåïc soïng vaì våïi nhiãût âäü cuía váût. C1 Eoλ = C2 (4.1) λ5 .e λT −1 trong âoï C1, C2 [m.K] - caïc hàòng säú Planck: -15 2 C1 = 0,374.10 W.m ; -2 C2 = 1,439.10 m.K λ, [m] - chiãöu daìi bæåïc soïng, T, [K] - nhiãût âäü tuyãût âäúi, Tæì biãøu thæïc trãn ta coï thãø thiãút láûp âäö thë quan hãû E0λ = f(λ) åí caïc nhiãût âäü khaïc nhau. Caïc âäö thë naìy coï âàûc âiãøm chung laì haìm E0λ âaût cæûc âaûi åí mäüt giaï trë λmax naìo âoï. Giaï trë λmax coï thãø xaïc âënh khi láúy âaûo haìm biãøu thæïc tênh E0λ theo λ. C2 ∂E − C 0λ = e λ max .T + 2 −1= 0 (4.2) ∂λ 5.λ max .T -3 Giaíi ra ta coï: λmax.T = 2,898.10 m.K (4.3) 56
-6 3 E 0λ .10 W/m 30 T =1200K 20 TT = =900K1200K TT = =600K1200K 10 λ 0 2 λm 4 618 0µm Hçnh 4.1. Haìm phán bäú Eoλ theo λ vaì T 4.1.1.2. Âënh luáût dëch chuyãøn Wien Khi váût nhiãût âäü T coï cæåìng âäü bæïc xaû låïn nháút thç soïng λmax seî quan hãû våïi nhiãût âäü theo biãøu thæïc: -3 λmax.T = 2,898.10 m.K Váûy khi nhiãût âäü T caìng låïn thç λmax caìng nhoí. Eoλ T 1 T2 Eoλmax T3 λ λmax Hçnh 4.2. Âënh luáût dëch chuyãøn Wien. 57
4.1.1.3. Âënh luáût Stephan-Boltzmann Âënh luáût Stephan-Boltzmann thiãút láûp mäúi quan hãû giæîa nàng suáút bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi våïi nhiãût âäü. Nàng suáút bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi tyí lãû våïi nhiãût âäü tuyãût âäúi muî 4. ∞ E = E .dλ o ∫ oλ (4.4) λ=0 4 2 hay : Eo = σ0. T , [W/m ] (4.5) 4 ⎛ T ⎞ 2 hay : E o = Co .⎜ ⎟ , [W/m ] (4.6) ⎝100 ⎠ trong âoï : -8 2 4 σ0= 5,67.10 W/m .K - hàòng säú bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi, 8 2 4 C0 = 10 . σ0 = 5,67, W/m .K - hãû säú bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi, Âënh luáût Stephan-Bolzman coï thãø sæí duûng cho váût xaïm (A≠1). 4 ⎛ T ⎞ E = C.⎜ ⎟ , [W/m2] (4.7) ⎝100 ⎠ våïi C, [W/m2.K4]- hãû säú bæïc xaû cuía váût xaïm E C Tæì caïcbiãøu thæïc trãn vaì nãúu âàût = = ε goüi laì âäü âen cuía váût Eo CO 4 ⎛ T ⎞ khi âoï : E = ε.Co .⎜ ⎟ (4.8) ⎝100 ⎠ 4.1.1.4. Âënh luáût Kirchoff Âënh luáût Kirchoff thiãút láûp mäúi quan hãû giæîa nàng suáút bæïc xaû riãng cuía mäüt váût våïi nàng suáút bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi Ao = 1. ÅÍ traûng thaïi cán bàòng vãö nhiãût, thç tyí säú giæîa nàng suáút bæïc xaû vaì hãû säú háúp thuû cuía báút kyì váût thãø naìo cuîng nàng suáút bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi åí cuìng nhiãût âäü vaì cuîng chè phuû thuäüc vaìo nhiãût âäü. 58
Giaí sæí coï n váût coï nàng suáút bæïc xaû laì E1, E2, . . ., En vaì caïc hãû säú háúp thuû láön læåüt laì A1, A2, . . .,An. Caïc váût naìy coï nhiãût âäü nhæ nhau, theo âënh luáût Kirchoff ta coï: E1 E2 En = = = = E0 = f (T) (4.9) A1 A2 An Eo - Nàng suáút bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi coï cuìng nhiãût âäü. Tæì biãøu thæïc âënh luáût Kirchoff suy ra: E = Eo.A Hay A = ε (4.10) 4.1.2. Lyï thuyãút vãö bäü thu kiãøu läöng kênh Háöu hãút caïc bäü thu NLMT âãöu sæí duûng kênh laìm váût liãûu che phuí bãö màût bäü thu vç tênh cháút quang hoüc æu viãût cuía noï. 4.1.2.1. Hiãûu æïng läöng kênh Hiãûu æïng läöìng kênh laì hiãûn tæåüng têch luyî nàng læåüng bæïc xaû cuía màût tråìi phêa dæåïi mäüt táúm kênh hoàûc mäüt låïp khê naìo âoï, vê duû CO2 hoàûc NOx. Coï thãø giaíi thêch E λ hiãûu æïng läöng kênh nhæ sau: Táúm kênh hoàûc låïp khê λ (µm) coï âäü trong âån sàõc Dλ 0 λ mo= 0,5 λm = 8 giaím dáön khi bæåïc soïng λ D tàng. Coìn bæåïc soïng λm khi 1 Eλ cæûc âaûi, laì bæåïc soïng λ mang nhiãöu nàng læåüng 0 To nháút, thç laûi giaím theo âënh luáût Wien λ = 2,9.10-3/T. Bæïc xaû màût tråìi, phaït T ra tæì nguäön nhiãût âäü cao T0 = 5762K, coï nàng læåüng táûp trung quanh soïng λ = Hinh 4.3. Hiãûu æïng läöng kênh. m0 0,5µm, seî xuyãn qua kênh 59
hoaìn toaìn, vç D(λm0) ≈ 1. Bæïc xaû thæï cáúp, phaït ra tæì váût thu coï nhiãût âäü tháúp, khoaíng T ≤ 400K, coï nàng læåüng táûp trung quanh soïng λm = 8µm, háöu nhæ khäng xuyãn qua kênh, vç D(λm) ≈ 0, vaì bë phaín xaû laûi màût thu. Hiãûu säú nàng læåüng (vaìo - ra) > 0, âæåüc têch luyî phêa dæåïi táúm kênh, laìm nhiãût âäü taûi âoï tàng lãn. 4.1.2.2. Mä taí chung vãö bäü thu kiãøu läöng kênh Bäü thu kiãøu läöng kênh duìng âãø gia nhiãût cho cháút loíng âæåüc mä taí trãn hçnh 4.4: 132 4 5 6 Hçnh 4.4. Màût càõt bäü thu nàng læåüng Màût tråìi kiãøu läöng kênh gäöm 2 låpï kênh duìng âãø gia nhiãût cho mäi cháút loíng. Nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi chiãúu âãún bäü thu sau khi truyãön qua 2 låïp kênh 1 vaì 3 thç âæåüc háúp thuû båíi táúm háúp thuû sån maìu âen 2, læåüng nhiãût âæåüc háúp thuû seî truyãön cho mäi cháút loíng chæïa trong äúng dáùn 5. Bäü thu âæåüc boüc båíi låïp baío vãû 6 vaì låïp caïch nhiãût 4 âãø traïnh tháút thoaït nhiãût ra mäi træåìng xung quanh. Trãn hçnh 4.4 mä taí mäüt bäü thu kiãøu läöng kênh gäöm 2 låïp kênh duìng âãø gia nhiãût cho mäi cháút loíng våïi bãö màût háúp thuû daûng äúng - táúm caïnh. Coìn loaûi bäü thu âãø gia nhiãût cho mäi cháút laì khäng khê vãö cå baín coï cáúu taûo giäúng nhæ loaûi bäü thu gia nhiãût trãn, nhæng caïc äúng dáùn cháút loíng âæåüc thay thãú bàòng äúng dáùn khäng khê coï kêch thæåïc låïn hån. 60
Phæång phaïp tênh toaïn cuîng tæång tæû nhæ tênh toaïn bäü thu gia nhiãût cho cháút loíng. 4.1.2.3. Phæång trçnh cán bàòng nàng læåüng cuía bäü thu kiãøu läöng kênh. ÅÍ traûng thaïi äøn âënh, hoaût âäüng cuía bäü thu NLMT âæåüc mä taí bàòng phæång trçnh cán bàòng nàng læåüng gäöm caïc thaình pháön: nàng læåüng hæîu êch, täøn tháút nhiãût, vaì täøn tháút quang hoüc. Bæïc xaû màût tråìi do bäü thu háúp thuû trãn mäüt âån vë diãûn têch bãö màût bäü thu phàóng bàòng hiãûu säú giæîa bæïc xaû màût tråìi truyãön tåïi vaì caïc täøn tháút quang hoüc. ⎛1+ cosβ ⎞ ⎛1− cosβ ⎞ S = Eb Bb ()DA b + Ed ()DA d ⎜ ⎟ + Rd ()Eb + Ed (DA)g ⎜ ⎟ (4.11) ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ Täøn tháút nhiãût tæì bäü thu âãún mäi træåìng xung quanh do dáùn nhiãût, âäúi læu vaì bæïc xaû coï thãø âæåüc biãøu diãùn nhæ laì têch säú cuía hãû säú täøn tháút nhiãût K vaì âäü chãnh lãûch nhiãût âäü trung bçnh cuía táúm háúp thuû Ttb våïi nhiãût âäü mäi træåìng Ta. ÅÍ traûng thaïi äøn âënh, nàng læåüng hæîu êch cuía bäü thu coï diãûn têch F laì hiãûu säú giæîa bæïc xaû màût tråìi háúp thuû âæåüc vaì täøn tháút nhiãût: Qhi = F[S − K(Ttb − Ta )] (4.12) Âáy laì phæång trçnh nàng læåüng cå baín cuía bäü thu kiãøu läöng kênh. Âãø xaïc âënh nàng læåüng hæîu êch, ngoaìi caïc âaûi læåüng coï thãø xaïc âënh træûc tiãúp nhæ F, ta cáön phaíi xaïc âënh S, K vaì Ttb. Cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi S coï thãø tênh toaïn bàòng lyï thuyãút theo phæång trçnh trãn hoàûc âo thæûc nghiãûm bàòng bæïc xaû kãú màût tråìi. Hãû säú täøn tháút nhiãût K cuîng coï thãø xaïc âënh bàòng lyï thuyãút truyãön nhiãût hay bàòng thæûc nghiãûm. Coìn nhiãût âäü trung bçnh cuía táúm háúp thuû Ttb khoï tênh toaïn hoàûc khoï âo âæåüc, vç noï cuîng laì haìm säú cuía caïc thäng säú kãút cáúu bäü thu, bæïc xaû truyãön tåïi vaì thäng säú váût lyï cuía cháút loíng âi vaìo bäü thu. Âãø âaïnh giaï khaí nàng háúp thuû NLMT cuía bäü thu ngæåìi ta dæûa vaìo hiãûu suáút cuía noï. Hiãûu suáút cuía bäü thu âæåüc âënh nghéa laì tyí säú 61
giæîa nàng læåüng hæîu êch truyãön cho mäi cháút vaì NLMT tåïi bäü thu trong cuìng mäüt khoaíng thåìi gian: Qhi dt η = ∫ (4.13) F E dt ∫ n Hãû säú täøn tháút nhiãût K cuía bäü thu Viãûc phán têch täøn tháút nhiãût âäúi våïi bäü thu kiãøu läöng kênh coï yï nghéa quan troüng trong viãûc tênh toaïn thiãút kãú bäü thu. Coï thãø biãøu diãùn täøn tháút nhiãût cuía bäü thu kiãøu läöng kênh coï hai låïp kênh nhæ så âäö hçnh 4.5a. Taûi mäüt vë trê nháút âënh trãn táúm phàóng háúp thuû coï nhiãût âäü laì Ta Ta 1 1 bx R1 αc2-a αc2-a Tc2 Tc2 1 1 bx R2 αc1-c2 α c1-c2 Tc1 Tc1 1 1 bx R3 αp-c1 α p-c1 S Qhi S Qhi Tp Tp δ λ R4 b T Tb 1 1 bx R5 αb-a α b-a Ta Ta a) b) Hçnh 4.5. Så âäö maûng nhiãût cuía bäü thu kiãøu läöng kênh våïi 2 låïp kênh. Tp, nguäön NLMT, S âæåüc bäü thu háúp thuû vaì phán bäú thaình caïc thaình 62
pháön sau: nàng læåüng hæîu êch Qhi, täøn tháút nhiãût qua caïc låïp kênh ngàn vaì qua âaïy bäü thu. Ta coï thãø biãøu diãùn så âäö naìy mäüt caïch âån giaín hån hçnh 4.5b hay så âäö tæång âæång hçnh 4.6. Täøn tháút nhiãût qua caïc låïp kênh laì täøng cuía trao âäøi nhiãût âäúi læu vaì trao âäøi nhiãût bæïc xaû giæîa caïc bãö màût song song. åí traûng thaïi äøn âënh thç nàng læåüng trao âäøi giæîa táúm háúp thuû cuía bäü thu coï nhiãût âäü Tp vaì låïp kênh thæï nháút coï nhiãût âäü Tc1 âuïng bàòng læåüng nhiãût trao âäøi giæîa caïc låïp kênh kãú tiãúp vaì cuîng bàòng læåüng nhiãût trao âäøi giæîa låïp kênh ngoaìi cuìng våïi mäi træåìng xung quanh. Vaì nhæ váûy täøn tháút nhiãût qua kênh (trãn mäüt âån vë diãûn têch) âuïng bàòng læåüng nhiãût truyãön tæì táúm háúp thuû âãún bãö màût kênh thæï nháút: 4 4 σ (Tp − Tc1 ) q = α ()T − T + (4.14) t.tr p−c1 p c1 1 1 + −1 ε p ε c1 Trong âoï εp, εc1 laì âäü âen cuía táúm háúp thuû vaì cuía låïp kênh thæï nháút, αp-c1 laì hãû säú truyãön nhiãût âäúi læu giæîa 2 táúm phàóng nghiãng bx song song (táúm háúp thuû vaì kênh), nãúu goüi α p-c1 laì hãû säú trao âäøi nhiãût bæïc xaû giæîa táúm háúp thuû vaì kênh thç ta seî coï: Ta bx q = (α +α p−c1 )(T −T ) tt.tr p−c1 p c1 S (4.15) 1 Víi Ktt 2 2 bx σ (Tp + Tc1 )(Tp + Tc1 ) α p−c1 = 1 1 Qhi + −1 Tp ε p ε c1 Hçnh 4.6. Så âäö maûng nhiãût NhiÖt trë R3 sÏ lµ: tæång âæång cuía bäü thu 63
1 R3 = bx (4.16) α p−c1 +α p−c1 R3 laì nhiãût tråí truyãön nhiãût giæîa táúm háúp thuû vaì kênh. Cuîng tæång tæû ta coï biãøu thæïc tênh cho nhiãût tråí gæîa 2 táúm kênh R2. Theo nguyãn lyï chung thç chuïng ta coï thãø làõp caìng nhiãöu táúm kênh che thç nhiãût tråí caìng låïn, nhæng trong thæûc tãú caïc bäü thu thæåìng âæåüc giåïi haûn nhiãöu nháút laì âãún 2 låïp kênh. Nhiãût tråí R1 giæîa bãö màût kênh våïi mäi træåìng xung quanh coï daûng tæång tæû nhæ biãøu thæïc trãn nhæng hãû säú truyãön nhiãût âäúi læu tæì bãö màût kênh âãún mäi træåìng xung quanh αw, láúy giaï trë bàòng 5 - 10 W/m2K (coi täúc âäü gioï trung bçnh khoaíng 5m/s). Nhiãût tråí bæïc xaû tæì màût kênh âæåüc tênh toaïn theo nhiãût âäü bæïc xaû cuía báöu tråìi Ts, nhæng âãø tiãûn cho tênh toaïn ta coï thãø tham khaío giaï trë cuía nhiãût tråí naìy theo bx nhiãût âäü mäi træåìng xung quanh laì Ta, do âoï α c2-a coï thãø viãút laì: 2 2 (Tc2 − Ts )(Tc2 − Ts )(Tc2 − Ts ) α c2−a = σε c2 (4.17) Tc2 − Ta Vaì nhiãût tråí R1 seî laì : 1 R1 = bx (4.18) α w +α c2−a Váûy hãû säú täøn tháút qua caïc låïp kênh tæì táúm háúp thuû cuía bäü thu ra mäi træåìng xung quanh laì : 1 K tt.tr = (4.19) R1 + R2 + R3 Âãø xaïc âënh giaï trë cuía Ktt.tr âáöu tiãn ta cáön giaí âënh nhiãût âäü cuía caïc låïp kênh, ta tênh âæåüc caïc hãû säú truyãön nhiãût bàòng âäúi læu vaì bæïc xaû giæîa caïc bãö màût song song, theo cäng thæïc trãn ta xaïc âënh âæåüc hãû säú täøn tháút Ktt.tr vaì tæì âoï ta xaïc âënh âæåüc doìng nhiãût täøn tháút qua bãö màût bäü thu, âáy cuîng chênh laì doìng nhiãût trao âäøi giæîa caïc bãö màût. Tæì 64
âoï ta láön læåüt tênh laûi âæåüc caïc giaï trë nhiãût âäü cuía caïc låïp kênh Tj. So saïnh caïc giaï trë nhiãût âäü tênh âæåüc våïi caïc nhiãût âäü giaí âënh ban âáöu, nãúu chuïng xáúp xè nhau thç giaï trë giaí thiãút laì cháúp nháûn âæûåc, coìn nãúu khäng xáúp xè thç ta phaíi láúy caïc giaï trë Tc måïi tênh âæåüc laìm nhiãût âäü tênh toaïn cuía caïc bãö màût âãø xaïc âënh giaï trë Ktt.tr måïi vaì tênh làûp cho âãún khi naìo caïc Tc tênh âæåüc gáön våïi giaï trë caïc Tc giaí thiãút. Ktt.tr (Tp − Ta ) T j = Ti − bx (4.20) α i− j +α i− j Täøn tháút nhiãût qua âaïy bäü thu âæåüc biãøu diãùn båíi 2 nhiãût tråí R4, R5 trong hçnh 4.1-5b. R4 laì nhiãût tråí cuía låïp caïch nhiãût vaì R5 laì nhiãût tråí âäúi læu vaì bæïc xaû cuía âaïy bäü thu våïi mäi træåìng xung quanh. Thæåìng âäü låïn cuía R5 coï thãø giaí thiãút laì xáúp xè bàòng 0 vaì täøng nhiãût tråí seî xáúp xè bàòng R4, hay hãû säú täøn tháút nhiãût cuía âaïy bäü thu: 1 λ K tt.day = = (4.21) R4 δ cn våïi λ vµ δcn laì hãû säú dáùn nhiãût vaì chiãöu daìy cuía låïp caïch nhiãût. Täøn tháút nhiãût qua vaïch bãn cuía bäü thu tênh toaïn khaï phæïc taûp. Tuy nhiãn trong mäüt hãû thäúng bäü thu âæåüc thiãút kãú täút thç täøn tháút nhiãût naìy ráút nhoí nãn coï thãø boí qua. Cuîng coï thãø tênh täøn tháút nhiãût naìy theo cäng thæïc cuía Tabor: (KF )ben Ktt.ben = (4.22) Fbthu Våïi (KF)ben laì têch säú giæîa hãû säú truyãön nhiãût qua vaïch bãn cuía bäü thu K våïi täøng diãûn têch caïc vaïch bãn bäü thu F, K = (λ/δ)ben, coìn Fbthu laì diãûn têch bäü thu. Trong tênh toaïn nãúu (KF)ben ráút nhoí so våïi Fbthu thç Ktt.ben coï thãø boí qua. Váûy täøng täøn tháút nhiãût cuía bäü thu: Ktt = Ktt.tr + Ktt.day + Ktt.ben (4.23) 65
4.1.2.4. Phán bäú nhiãût âäü trãn bãö màût bäü thu kiãøu läöng kênh Xeït mäüt bäü thu nàng læåüng Màût tråìi coï kãút cáúu kiãøu äúng - táúm (hçnh 4.4). Khi nháûn bæïc xaû màût tråìi, bãö màût táúm seî truyãön nhiãût cho caïc äúng coï mäi cháút chuyãøn âäüng bãn trong. Phán bäú nhiãût âäü trãn bãö màût táúm seî coï daûng nhæ hçnh 4.7b. Ta coï thãø nháûn xeït laì nhiãût âäü trãn bãö màût táúm phán bäú khäng âäöng âãöu. Theo phæång X, nhiãût âäü bãö màût táúm coï trë säú låïn nháút åí vë trê giæîa khoaíng caïch 2 äúng, coìn trãn phaûm vi mäùi äúng do hãû säú truyãön nhiãût låïn nãn gáön nhæ nhiãût âäü âäöng âãöu (hçnh 4.7c). Coìn theo phæång Y doüc theo truûc äúng, do mäi cháút chuyãøn âäüng nháûn nhiãût nãn nhiãût âäü tàng dáön (hçnh 4.7d). Âãø tênh toaïn âæåüc phán bäú nhiãût âäü trãn bãö màût táúm, ngæåìi ta sæí duûng caïc giaí thiÕt sau: 1- Quaï trçnh truyãön nhiãût åí traûng thaïi äøn âënh. 2- Caïc äúng goïp cuía daìn äúng cung cáúp læu læåüng næåïc âäöng âãöu cho caïc äúng. 3- Doìng nhiãût truyãön qua kênh che vaì qua âaïy caïch nhiãût cuía bäü thu laì doìng nhiãût mäüt chiãöu, doìng nhiãût bæïc xaû qua kênh khäng Y X T M«i chÊt láng Y X a) b) T T èng èng TÊm X Y c) d) Hçnh 4.7. Så âäö phán bäú nhiãût âäü trãn màût táúm háúp thuû. 66
bë kênh háúp thuû vaì khäng coï âäü chãnh nhiãût âäü giæîa 2 màût kênh che, 4- Xem træåìng nhiãût âäü cuía bãö màût äúng laì 1 chiãöu, tæïc laì nhiãût âäü chè thay âäøi theo phæång doüc truûc äúng, coìn gradien nhiãût âäü xung quanh tiãút diãûn äúng coï thãø boí qua. 5- Gradien nhiãût âäü theo hæåïng doìng mäi cháút chuyãøn âäüng vaì theo phæång giæîa caïc äúng coï thãø xem xeït âäüc láûp. 6- Boí qua sæû baïm buûi, báøn trãn bäü thu. Sæû phán bäú nhiãût âäü giæîa 2 äúng coï thãø xaïc âënh âæåüc nãúu ta giaí thiãút ràòng gradien nhiãût âäü theo hæåïng doìng chuyãøn âäüng laì ráút nhoí. Goüi khoaíng caïch giæîa caïc äúng laì W, âæåìng kênh äúng laì D vaì táúm háúp thuû coï chiãöu daìy δ. Vç váût liãûu táúm dáùn nhiãût täút nãn gradien nhiãût âäü qua táúm laì ráút nhoí. Ta cuîng giaí thiãút laì pháön diãûn têch äúng tiãúp xuïc våïi táúm (mäúi haìn) coï nhiãût âäü âäöng âãöu Tb. Nhæ váûy baìi toaïn truyãön nhiãût tæì W T b táúm âãún cháút loíng δ trong äúng coï thãø xem nhæ baìi toaïn truyãön T Di f nhiãût qua caïch thäng duûng maì ta âaî biãút, vaì W-D D T laì nhiãût âäü cuía gäúc 2 b X caïnh, Ta laì nhiãût âäü mäi træåìng khäng khê Hçnh 4.8. Kêch thæåïc cuía äúng vaì caïnh. bãn ngoaìi. Âãø giaíi baìi toaïn naìy ta biãøu diãùn kãút cáúu äúng - táúm bàòng så âäö trãn hçnh 4.9a nhæ laì caïnh moíng tiãút diãûn khäng âäøi coï chiãöu daìi (W-D)/2. Viãút phæång trçnh cán bàòng nàng læåüng cho mäüt phán bäú caïnh coï chiãöu räüng ∆x vaì chiãöu daìi 1 âån vë theo hæåïng chuyãøn âäüng cuía doìng mäi cháút (hçnh 4.9b). Ta coï: 67
⎛ dT ⎞ ⎛ dT ⎞ S∆x − K tt .∆x()T − Ta + ⎜− λδ ⎟ − ⎜− λδ ⎟ = 0 (4.24) ⎝ dx ⎠ x ⎝ dx ⎠ x+∆x Trong âoï S laì nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi háúp thuû, Chia caí 2 vãú cuía cäng thæïc trãn cho ∆x vaì xeït giåïi haûn khi ∆x → 0 ta coï : d 2T K ⎛ S ⎞ = tt ⎜T − T − ⎟ (4.23) 2 ⎜ a ⎟ dx λδ ⎝ K tt ⎠ S K tt ∆X(Tx - Ta ) S∆X X ∆X X ∆X δ Tb -λδdT -λδdT dx x dx x+∆x W-D 2 a) b) Hçnh 4.9. Så âäö cán bàòng nàng læåüng trãn pháön tæí. Hai âiãöu kiãûn biãn âãø phæång trçnh vi phán naìy laì âiãöu kiãûn âäúi xæïng qua âæåìng truûc giæîa 2 äúng vaì nhiãût âäü gäúc caïnh Tb âaî biãút : dT = 0 T = T (4.24 vµ x=¦(W −D) / 2 b ) dx x=0 Âãø thuáûn tiãûn cho viãûc tênh toaïn ta âàût: 68
Ktt S m = vµ ψ = T − Ta − (4.25) kδ K tt khi âoï phæång trçnh trãn coï daûng âån giaín hån : d 2ψ − m 2ψ = 0 (4.26) dx 2 våïi âiãöu kiãûn biãn laì : dψ S = 0 ψ = T − T − (4.27 vµ x=(¦W −D) / 2 b a ) dx x=0 K tt Nghiãûm täøng quaït cuía phæång trçnh naìy laì: ψ = C1.sinh(mx)+ C2 .cosh(mx) (4.28) Xaïc âënh caïc hàòng säú têch phán C1, C2 theo âiãöu kiãûn biãn. Cuäúi cuìng ta coï : S T − T − a K cosh()mx tt = (4.29) S ⎛ W − D ⎞ Tb − Ta − cosh⎜m ⎟ Ktt ⎝ 2 ⎠ Nàng læåüng nhiãût dáùn tæì táúm caïnh âãún äúng trãn mäüt âån vë chiãöu daìi theo hæåïng doìng chuyãøn âäüng cuía mäi cháút âæåüc xaïc âënh theo âënh luáût Fourier åí gäúc caïnh : dT λδm ⎛ W − D ⎞ qc¸nh = − λδ = []S − K tt ()Tb − Ta .tanh⎜m ⎟ (4.30) dx x=(W −D) / 2 K tt ⎝ 2 ⎠ Nãúu tênh âãún læåüng nhiãût dáùn âãún äúng tæì 2 phêa âäúi xæïng nhau λδ m 1 vaì chuï yï ràòng = th×: K tt m 69
⎛ W − D ⎞ tanh⎜m ⎟ 2 q= ()W − D []S − K (T − T )⎝ ⎠ (4.31) c¸nh tt b a W − D m 2 Hay: qc¸nh = (W − D) f [S − K tt (Tb − Ta )] (4.32) ⎛ W − D ⎞ tanh⎜m ⎟ 2 Víi : f = ⎝ ⎠ (4.33) W − D m 2 f goüi laì hiãûu suáút caïnh âäúi våïi caïnh phàóng coï tiãút diãûn chæî nháût vaì f coï thãø âæåüc xaïc âënh theo âäö thë hçnh 4.10. Vê duû: våïi caïnh laìm bàòng âäöng coï hãû säú dáùn nhiãût λ=25W/m.®é, chiãöu daìy caïnh δ = 0,001m vaì chiãöu räüng caïnh W=0,03m; caïnh âæåüc gàõn trãn äúng âäöng âæåìng kênh D=0,01m. Våïi trao âäøi nhiãût âäúi læu tæû nhiãn Ktt=10W/m2âäü ta tênh âæåüc: 1/ 2 1/ 2 ⎛ K ⎞ W − D ⎛ 10 ⎞ 0,03 − 0,01 ⎜ tt ⎟ . = ⎜ ⎟ . = 0,2 (4.34) ⎝ λδ ⎠ 2 ⎝ 25.0,001⎠ 2 Tra âäö thë hçnh 4.10. ta coï hiãûu suáút caïnh f = 0,99. Ngoaìi læåüng nhiãût dáùn tæì táúm vaìo äúng coìn phaíi tênh âãún læåüng nhiãût truyãön qua chênh bãö màût vuìng äúng coï nhiãût âäü khäng âäøi Tb: qèng = D[S − K tt (Tb − Ta )] (4.35) vaì nhæ váûy læåüng nhiãût hæîu êch täøng cäüng seî laì : qhi = [(W − D) f + D].[S − K tt (Tb − Ta )] (4.36) Âæång nhiãn laì læåüng nhiãût naìy âæåüc truyãön cho mäi cháút chuyãøn âäüng trong äúng, theo phæång trçnh truyãön nhiãût ta coï: T − T q = b f (4.37) n 1 1 + πDiα f Cb 70
1.0 0.9 f 0.8 D Ktt HiÖu suÊt c¸nh 0.7 δ W 0.6 0 0.5 1.0 1.5 1/2 W-D K tt λδ 2 Hçnh 4.10. Hiãûu suáút caïnh cuía bäü thu daûng äúng - táúm. Våïi Di laì âæåìng kênh trong cuía äúng, αf laì hãû säú truyãön nhiãût giæîa cháút loíng vaì vaïch äúng, Cb laì nhiãût dáùn cuía mäúi haìn : Cb = λb. b/γ vµ λb laì hãû säú dáùn nhiãût cuía mäúi haìn, γ laì chiãöu daìy trung bçnh cuía mäúi haìn, b laì chiãöu räüng cuía mäúi haìn. Nhæ váûy nãúu âaî biãút Tf, Di, αfi vaì Cb ta xaïc âënh âæåüc Tb vaì ta coï : ' qhi = Wf [S − Ktt (T f −Ta )] (4.38) trong âoï f ’ âæåüc goüi laì hãû säú hiãûu quaí cuía bäü thu vaì coï biãøu thæïc laì: 1 K f ' = tt (4.39) ⎡ 1 1 1 ⎤ W ⎢ + + ⎥ ⎣⎢ K tt []D + ()W − D f C b πD iα f ⎦⎥ 71
Vãö yï nghéa váût lyï, f ’ chênh laì tyí säú cuía læåüng nhiãût hæîu êch thæûc våïi læåüng nhiãût hæîu êch trong træåìng håüp bãö màût háúp thuû cuía bäü thu coï nhiãût âäü bàòng cháút loíng Tf. Nãúu coi máùu säú cuía biãøu thæïc trãn laì nhiãût tråí truyãön nhiãût tæì cháút loíng âãún khäng khê mäi træåìng xung quanh, kyï hiãûu 1/Ko vaì tæí säú laì nhiãût tråí truyãön nhiãût tæì bãö màût táúm bäü thu âãún khäng khê mäi træåìng xung quanh thç f ′= Ko/Ktt. 4.1.2.5. Phán bäú nhiãût âäü cháút loíng trong bäü thu NLMT τn ω D2, δk2, λk2 D1, δk1, λk1 . δkk, λkk to E(τ) ϕ(τ) α1 δo, ρo, Co to ε1 F1=ab t GCp α2 δ,ρ,m,Cp to α3 δcn, λcn Hçnh 4.11. Cáúu taûo bäü thu kiãøu häüp táúm phàóng. Trong thæûc tãú chuïng ta cáön xaïc âënh haìm phán bäú nhiãût âäü cuía mäi cháút loíng trong bäü thu NLMT trong chu kyì mäüt ngaìy âãø coï thãø âaïnh giaï khaí nàng laìm viãûc cuía bäü thu vaì tæì âoï xaïc âënh âæåüc caïc thäng säú âàûc træng cuía bäü thu. Khaío saït bäü thu NLMT daûng häüp phàóng moíng (hçnh 4.11) våïi häüp thu kêch thæåïc axbxδ, khäúi læåüng mo, nhiãût dung riãng Co âæåüc laìm bàòng theïp daìy δ1, bãn trong gäöm cháút loíng ténh coï khäúi læåüng m, vaì læu læåüng G[kg/s] chaíy liãn tuûc qua häüp. Xung quanh häüp thu boüc 1 72
låïp caïch nhiãût, hãû säú toaí nhiãût cuía bäü thu ra khäng khê laì α. Phêa trãn màût thu F1= ab coï âäü âen ε laì 2 låïp khäng khê vaì 2 táúm kênh coï âäü trong D1 vaì D2. Chiãöu daìy vaì hãû säú dáùn nhiãût cuía caïc låpï naìy láön læåüt laì δc, δkk1 , δk1 , δkk2 , δk2 vµ λc, λkk1, λk1. λkk2, λk2 Cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi tåïi màût kênh taûi thåìi âiãøm τ coï daûng E(τ) = Ensinϕ(τ ), víi ϕ(τ ) = ωτ lµ gãc nghiªng cña tia n¾ng tíi mÆt kÝnh, ω = 2π /τn vµ τn = 24 x 3600s laì täúc âäü goïc vaì chu kyì tæû quay cuía traïi âáút, En laì cæåìng âäü bæïc xaû cæûc âaûi trong ngaìy, 2 En = Smax , W/m Våïi Smax laì cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi täøng cæûc âaûi trong ngaìy âæåüc tênh theo cäng thæïc trãn hoàûc láúy theo säú liãûu thäúng kã âo âæåüc. Trong mäüt säú træåìng håüp ta cáön tênh toaïn våïi giaï trë trung bçnh nàm thç En âæåüc láúy bàòng trë trung bçnh trong nàm taûi vé âäü âang xeït. 365 max ∑ Si E = i=1 , W/m2 (4.40) n 365 max Våïi Si laì täøng cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi cæûc âaûi taûi ngaìy thæï i trong Luïc màût tråìi moüc τ = 0, nhiãût âäü ban âáöu cuía bäü thu vaì cháút loíng bàòng nhiãût âäü t0 cuía khäng khê ngoaìi tråìi, ta giaí thiãút ràòng bäü thu âæåüc âàût cäú âënh trong mäùi ngaìy, sao cho màût thu F1 vuäng goïc våïi màût phàóng quyî âaûo traïi âáút vaì taûi mäùi thåìi âiãøm τ, coi nhiãût âäü cháút loíng vaì häüp thu âäöng nháút, bàòng t(τ). Váún âãö laì ta cáön tçm haìm phán bäú nhiãût âäü cháút loíng trong bäü thu theo thåìi gian τ vaì táút caí caïc thäng säú âaî cho: t = t (τ, abδδt, mo.Co, m.Cp, ε D F1 , G, δc, δkk , δk, λc, λkk, λk , α, to , ω, En ). (4.41) 73
Láûp phæång trçnh vi phán cán bàòng nhiãût cho bäü thu Xeït cán bàòng nhiãût cho hãû gäöm cháút loíng vaì häüp kim loaûi, trong khoaíng thêi gian dτ kÓ tõ thêi ®iÓm τ. Màût F1 háúp thuû tæì màût tråìi mäüt læåüng nhiãût bàòng : δQ1 = ε1DEnsinωτ. F1.sinωτ.dτ, [J] (4.42) L−îng nhiÖt δQ1 âæåüc phán ra caïc thaình pháön sau: - Nhiãût læåüng laìm tàng näüi nàng voí häüp: dU = mo.Codt - Nhiãût læåüng laìm tàng entanpy læåüng næåïc ténh: dIm = m.Cpdt - Nhiãût læåüng laìm tàng entanpy doìng næåïc: dIG = Gdτ Cp (t - to) - Nhiãût læåüng täøn tháút ra mäi træåìng khäng khê bãn ngoaìi tråìi qua màût bäü thu F1= ab våïi hãû säú täøn tháút nhiãût k1, qua caïc màût bãn F2 = 2δ (a+b) våïi hãû säú täøn tháút nhiãût k2 vaì qua âaïy F3 = ab våïi hãû säú täøn tháút nhiãût k3. Caïc hãû säú täøn tháút nhiãût k1, k2, k3 âæåüc xaïc âënh theo muûc trãn. Váûy ta coï täøng læåüng nhiãût täøn tháút bàòng: δQ2 = (k1F1 + k2F2 + k3F3) (t - to) dτ (4.43) Do âoï, phæång trçnh cán bàòng nhiãût: δQ1 = dU + dIm + dIG + δQ2 (4.44) hay: 2 ε1DEt Ft sin ϕ(τ) dτ = dt ∑miCi + (GCp + ∑ ki Fi) (t - to) dτ. (4.45) Ta duìng pheïp biãún âäøi: T(τ) = t(τ) - to vaì âàût: εDEn F1 P GC + k F W a = = , [K/s] ; b = p ∑ i i = , [s-1] (4.46) ∑mi Ci C ∑ miCi C thç phæång trçnh cán bàòng nhiãût cho bäü thu laì: T’(τ) + bT(τ) = a sin2(ωτ) (4.47) Våïi âiãöu kiãûn âáöu T(0) = 0 74
Xaïc âënh haìm phán bäú nhiãût âä ü Âãø tçm haìm phán bäú nhiãût âäü cuía mäi cháút trong bäü thu thç ta phaíi giaíi hãû phæång trçnh cán bàòng nhiãût trãn. Haìm phán bäú nhiãût âäü mäi cháút trong bäü thu seî âæåüc tçm dæåïi daûng: T(τ) = A(τ) e-bτ. Váûy ta coï: a a A (τ) = a∫ ebτ sin2ωτ.dτ = ∫ ebτ (1- cos2ωτ)dτ = ( ebτ - I ) (4.48) 2 2b bτ 2 τ e ⎛ 2ω ⎞ våïi: I = ∫ cos2ωτ .deb = (2ω sin 2ωτ + b cos 2ωτ ) − ⎜ ⎟ I (4.49) b ⎝ b ⎠ bebτ tæïc laì: I = [2ωsin2ωτ + bcos 2ωτ] + C (4.50) 4ω 2 + b2 1 Hàòng säú C1 âæåüc xaïc âënh theo âiãöu kiãûn âáöu T(0) = 0 hay A(0) = 0, 1 tæïc laì: C1= 1+ (b / 2ω) 2 Do âoï, haìm phán bäú nhiãût âäü cháút loíng trong bäü thu coï daûng: a b e−bτ T(τ) = [1- (2ωsin2ωτ + bcos2ωτ) - ] (4.51) 2b 4ω 2 + b 2 1+ (b / 2ω) 2 B Nãúu duìng pheïp biãún âäøi: (Asinx + Bcosx) = A2 + B 2 sin (x + artg ) A thç phæång trçnh trãn coï daûng: a b b e−bτ T(τ) = [1- sin(2ωτ + artg ) - 2 ] (4.52) 2b b 2 + 4ω 2 2ω 1+ (b / 2ω) Säú haûng cuäúi cuía täøng coï giaï trë nhoí hån 1 vaì giaím ráút nhanh, nãn khi τ >1h coï thãø boí qua. 75