Luận văn sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện trường đại học trà vinh

  • 22 trang
  • file .pdf
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu: ........................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:....................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu: .................................................................... 4
5. Bố cục của đề tài: ................................................................................ 4
6. Tổng quan và tài liệu nghiên cứu ......................................................... 4
CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
KHAI THÁC, SỬ DỤNG ............................................................................. 5
1.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .................................................................. 5
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời .................................................................... 6
1.1.2. Bức xạ mặt trời ............................................................................. 8
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời..................................................................... 14
1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất....................... 16
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI ............................................................................................................ 23
1.2.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ..................... 24
1.2.2. Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng NLMT ............................ 30
CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC MỘT LƯỚI ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI NỐI LƯỚI ....................................................................................... 33
2.1. GIỚI THIỆU ......................................................................................... 33
2.2. PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................... 34
2.2.1. Solar ........................................................................................... 34
2.2.2. Solar controller ........................................................................... 35
2.2.3. Bình ac quy 12 V 180 Ah ........................................................... 36
2.2.4. Inverter ....................................................................................... 37
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI
LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH ....................................... 42
3.1. GIỚI THIỆU TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH ................................... 42
3.1.1. Sứ mạng của Trường .................................................................. 43
3.1.2. Phương châm của Trường ........................................................... 44
3.1.3. Chức năng, nhiệm vụ .................................................................. 44
3.1.4. Tổ chức bộ máy Nhà trường: ...................................................... 45
3.2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHÔNG DỰ TRỮ47
3.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH ................................................................ 47
3.3.1. Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) của tất cả các thiết bị mà hệ
thống solar phải cung cấp mỗi ngày...................................................... 47
3.3.2. Tính toán inverter cho hệ thống pin mặt trời ............................... 49
3.3.3. Tính toán công suất của tấm pin mặt trời cần sử dụng. ............... 49
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 65
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
PHỤ LỤC.
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
Tên hình Trang
hình
1.1 Cấu trúc của mặt trời. 6
1.2 Các thành phần của mặt trời. 7
1.3 Dải bức xạ điện từ. 9
1.4 Góc nhìn mặt trời 10
Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp
1.5 11
khí quyển của trái đất
1.6 Vị trí của trái đất và mặt trời thay đổi trong năm 12
1.7 Thành phần chính của mặt trời 13
1.8 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 14
1.9 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 17
1.10 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 18
1.11 Định nghĩa và cách xác định airmas 21
1.12 Pin mặt trời 24
1.13 Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời 26
1.14 Lò sấy sử dụng hệ thống NLMT 26
1.15 Bếp nấu dùng NLMT 27
1.16 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 27
1.17 Động cơ stirling chạy bằng NLMT 28
1.18 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT 29
2.1 Solar panel 170 W 34
2.2 Bộ solar controller uC12 – 40DC3ST 35
2.3 Bình ac quy 12v 180Ah 36
2.4 Bộ inverter 37
2.5 Mô hình hệ thống năng lượng làm on_grid 40
2.6 Mô hình mô phỏng hệ thống on_grid 41
3.1 Cổng Trường Đại học Trà vinh 43
3.2 Một góc của Trường Đại học Trà vinh 46
3.3 Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời 47
3.4 Tấm pin mặt trời 160 Wp 53
3.5 Thiết bị đồng bộ RS – 485 54
3.6 Sơ đồ đấu nối hệ pin mặt trời vào hệ thống 58
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số
Tên bảng Trang
bảng
1.1 Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng 15
1.2 Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời 16
3.1 Các loại thiết bị tiêu thụ điện 48
3.2 Bức xạ mặt trời đo được trong ngày 51
3.3 Bức xạ mặt trời đo được trong các tháng 52
Sản lượng điện năng do hệ thống pin mặt trời tạo
3.4 55
ra theo tháng
Tổng chi phí cho cả hệ thống pin năng lượng mặt
3.5 61
trời
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
NLMT : Năng lượng mặt trời
DC : Điện áp một chiều
AC : Điện áp xoay chiều
BĐK : Bộ điều khiển
DCM : Chế độ dòng gián đoạn
CCM : Chế độ dòng liên tục
PV : Pin mặt trời
BTL : Bếp tiện lợi
VN : Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây Việt Nam quan tâm đầu tư cho nghiên cứu
khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, ứng dụng các công nghệ tiên
tiến quang điện để cấp điện và quang nhiệt để cấp nhiệt phục vụ cho nhu cầu
phát triển kinh tế xã hội. Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được đánh giá
là khá dồi dào và phong phú, và là nguồn năng lượng cơ bản có tính chiến
lược không chỉ cấp điện cho vùng chưa có điện lưới mà còn là nguồn bổ sung
quan trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phần đảm bảo an ninh
năng lượng và bảo vệ môi trường sống. Việt Nam đã ứng dụng năng lượng
mặt trời để cấp điện và cấp nhiệt. Các hệ thống lưới điện mặt trời đã có mặt ở
38 tỉnh, thành trong cả nước và một số bộ, ngành sử dụng. Các nguồn điện pin
mặt trời đều không nối lưới, trừ hệ thống pin mặt trời 150 kW tại Trung tâm
Hội nghị Quốc gia là có nối lưới. Tổng công suất điện pin mặt trời của Việt
Nam hiện nay khoảng 1,4 MW.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá…
đang dần cạn kiệt, không còn để khai thác được nữa. Ngoài ra, những nguồn
năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh
hưởng đến đời sống con người.
Trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay
thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Vì vậy,
tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo đang là hướng đi mới trong
năng lượng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng
lượng đang đặt lên hàng đầu. Việc khai thác năng lượng tái tạo có ý nghĩa
quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững.
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan
trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó
2
cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió,
năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Đó là loại hình năng
lượng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện
lưới không vươn đến được (vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài
khơi, …). Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng
nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó,
đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lượng bức
xạ trung bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của
Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở
Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng
mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện
mặt trời chiếm 0,009% tổng lượng điện toàn quốc. Mặc dù, đã có những
chính sách khuyến khích, nhưng vì nhiều lý do, việc phát triển năng lượng
mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn hơn các dạng năng lượng truyền
thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế.
Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản
xuất và tích trữ năng lượng mặt trời tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng
lượng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ (tức là khai thác và sử
dụng tại chỗ), năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán
trở lại cho lưới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện).
Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là nội dung quan trọng trong
quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước nói chung và tỉnh Trà
Vinh nói riêng, trong đó có vấn đề nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng
trong sản xuất công nghiệp. Đây là nội dung quan trọng trong Chiến lược
phát triển bền vững Việt Nam giai đoạn 2011-2020, bảo đảm kết hợp hài
hòa giữa tăng trưởng kinh tế, xóa đói giảm nghèo, sử dụng hợp lý tài nguyên
3
thiên nhiên và bảo vệ môi trường, nhằm chống tụt hậu xa hơn về kinh tế so
với các nước trong khu vực, cũng như các nước khác trên phạm vi toàn thế
giới, đồng thời thực hiện thắng lợi mục tiêu “Dân giàu, nước mạnh, dân
chủ, công bằng, văn minh”.
Đối với tỉnh Trà Vinh nói chung và Trường Đại học Trà vinh nói
riêng, với tốc độ phát triển về c ơ s ở v ậ t c h ấ t cũ n g nh ư c ơ s ở h ạ
t ầ n g n g à y mộ t l ớn trong những năm gần đây, nhu cầu năng lượng để
đáp ứng cho việc phát triển này sẽ ngày một gia tăng. Trong khi đó
trường Đại học Trà vinh đang khởi động dự án Đại học xanh. Đặc biệt
vào tháng 10 năm 2014 Hiệp hội Lãnh đạo Đại học vì một Tương lai Bền
vững (ULSF) đã chính thức công nhận Đại học Trà Vinh thuộc hệ thống 400
trường đại học trên 50 quốc gia cùng chung tay xây dựng môi trường bền
vững trong các lĩnh vực học thuật. Do đó việc sử dụng nguồn năng lượng
mặt trời là giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong tình
hình hiện nay là hết sức cần thiết.
Vì vậy, việc nghiên cứu khai thác hệ thống điện năng lượng mặt trời,
cung cấp điện cho phụ tải đồng thời hòa tối ưu nguồn năng lượng này lên lưới
điện đang là một vấn đề cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện trường
đại học trà vinh.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu nguồn năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất, sử
dụng và hòa lưới.
- Tính toán pin mặt trời kết nối lưới điện Trường Đại học Trà Vinh.
4
3.2. Phạm vi nghiên cứu: Khu hiệu bộ Trường Đại học Trà vinh
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Thu thập số liệu thực tế tại Trường Đại học Trà Vinh, phân tích,
đánh giá hiện trạng sử dụng năng lượng của trường, đề ra những giải
pháp nâng cao hiệu quả và kế hoạch triển khai thực hiện các giải pháp
phù hợp điều kiện của trường.
- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng, tính toán năng lượng pin mặt
trời cho khu Trường Đại học Trà Vinh.
5. Bố cục của đề tài:
Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử
dụng.
Chương 2: Cấu trúc một lưới điện mặt trời nối lưới.
Chương 3: Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới điện Trường
Đại học Trà Vinh.
6. Tổng quan và tài liệu nghiên cứu
5
CHƯƠNG 1
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
KHAI THÁC, SỬ DỤNG
1.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể
quan sát được trong vũ trụ. Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể
của nó tạo nên hệ mặt trời nằm trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt
trời khác. Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần
nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta. Trái đất và
Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định
cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta. Năng lượng mặt trời là
một trong các nguồn năng lượng sạch được xem là vô tận và nó là nguồn gốc
của các nguồn năng lượng khác trên trái đất. Con người đã biết tận hưởng
nguồn năng lượng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng
nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta
đang quan tâm.
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn
110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị
thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này
đến Trái đất). Khối lượng Mặt trời khoảng Mo = 2.1030 kg. Nhiệt độ To trung
tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 oK đến 20.106 oK, trung bình
khoảng 15.600.000 oK. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu
trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử.
Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động
tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất
hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn
6
trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có
phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời.
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời
Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời.
Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối
cầu khí khổng lồ (hình 1.1). Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những
chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên
nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối
lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào
khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là
vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng được truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở
vùng này gồm có Sắt (Fe), Canxi (Ca), Natri (Na), Stronti (Sr), Crôm (Cr),
Niken (Ni), Cacbon ( C), Silíc (Si) và các khí như Hiđrô (H2), Hêli (He),
chiều dày vùng này khoảng 400.000 km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày
125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 oK, dày 1.000 km,
ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy
có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 oK và các tai lửa có nhiệt độ từ (7.000 ÷
10.000) oK. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của
Mặt trời.
7
Hình 1.2. Các thành phần của mặt trời.
Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 5.762 oK nghĩa là có giá trị đủ lớn để
các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây
thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân
tử. Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta
xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái
đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen.
Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73.46% là Hydrogen và gần 24,85% là
Helium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%, Carbon
0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium
0,05% và Sulphur 0,04%. Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là
do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự
tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hyđrô có một hạt mang điện dương là proton.
Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ
cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở
một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực
hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và
một lượng bức xạ γ.
8
4 H11  He24  2 Neutrino   (1.1)
Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất
lớn. Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không
tham gia vào các “biến cố” sau đó. Trong quá trình diễn biến của phản ứng có
một lượng vật chất của Mặt trời bị mất đi, điều này làm cho mỗi giây khối
lượng của Mặt trời giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu,
trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa.
Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch
lên đến 9.1024 kWh.
1.1.2. Bức xạ mặt trời
Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt
Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Hằng số năng lượng
mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một
đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m2. Ánh sáng Mặt
Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn
tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất
trong điều kiện trời quang đãng. Năng lượng này có thể dùng vào các quá
trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng
mặt trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn
nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt Trời, hay
chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời. Năng lượng dự
trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được
chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của
sinh vật cổ.
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các
phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi
đi qua 5.105 km chiều dầy của lớp vật chất Mặt trời của biến đổi rất mạnh. Tất
9
cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở
bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, tứ tâm Mặt trời đi
ra cho sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ
chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ
Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ
thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác
bắt đầu xảy ra.
Hình 1.3. Dải bức xạ điện từ.
Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 1.3), từ tâm Mặt
trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây
giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành
bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt
độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế
khác bắt đầu xảy ra.
Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt
trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1
– 10 μm và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng
bước sóng 0,38 – 0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ.
Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các
tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp
10
khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính
theo công thức:
4
 T 
q   D T .C0 . 
 W /m
2
 (1.2)
 100 
Trong đó: φD_T: hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời.
φD_T = β2/4 (1.3)
β: góc nhìn mặt trời, β ≈ 32’ như hình 2.2
C0 = 5,67 W/m2.K4 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
T ≈ 5762oK – nhiệt độ bề mặt Mặt trời. (xem giống vật đen tuyệt đối)
Hình 1.4. Góc nhìn mặt trời
 2.3,14.32 2 
 
 360.60  4
=> q    .5,67. 5762   1353 W / m 2
  (1.4)
 
4  100 
Do khoảng cách giửa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm
nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm
nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số Mặt trời.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức
xạ bị hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một
phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái đất. Đầu tiên oxy phân tử
bình thường O2 phân ly thành oxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết đó, cần có
các photon bước sóng ngắn hơn 0,18 m, do đó các photon (xem bức xạ như
11
các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một
phần các nguyên tử oxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên
tử tương tác với các phân tử oxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn
cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với oxy, dưới tác
dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32 m, sự phân tách O3 thành
O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại
được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là
quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại
biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.
Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng
ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí
nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá
đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ.
Hình 1.5. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển
của trái đất
Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất.
Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến