Chương 5: Hệ thống năng lượng mặt trời và công nghệ PV

Khám phá nội dung chương 5 về hệ thống năng lượng mặt trời, cập nhật ngày 11 tháng 4 năm 2011, với thông tin chi tiết và phân tích chuyên sâu.

• Trường học: University of Illinois
• Đề tài: Hệ thống năng lượng mặt trời: Hiểu biết về công nghệ và ứng dụng
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2009

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời và công nghệ hiện đại

Hệ thống năng lượng mặt trời đã trở thành một phần quan trọng trong việc cung cấp năng lượng tái tạo. Công nghệ này sử dụng các tấm pin mặt trời để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Với sự phát triển của công nghệ, hiệu suất của các tấm pin đã được cải thiện đáng kể, giúp giảm chi phí và tăng khả năng tiếp cận. Theo báo cáo, năng lượng mặt trời có thể cung cấp một phần lớn nhu cầu năng lượng toàn cầu trong tương lai.

1.1. Công nghệ năng lượng mặt trời Nguyên lý hoạt động

Công nghệ năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin, các photon sẽ giải phóng electron, tạo ra dòng điện. Điều này cho phép chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng cho các thiết bị điện.

1.2. Lợi ích của năng lượng mặt trời trong cuộc sống hàng ngày

Năng lượng mặt trời mang lại nhiều lợi ích như giảm chi phí điện năng, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh năng lượng. Việc sử dụng năng lượng tái tạo giúp giảm thiểu khí thải carbon và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

II. Thách thức trong việc triển khai hệ thống năng lượng mặt trời

Mặc dù năng lượng mặt trời có nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc triển khai. Chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu về không gian lắp đặt và sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết là những vấn đề cần được giải quyết. Ngoài ra, việc bảo trì và nâng cấp hệ thống cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.1. Chi phí lắp đặt và bảo trì hệ thống năng lượng mặt trời

Chi phí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời có thể cao, nhưng có thể được giảm thiểu thông qua các chương trình hỗ trợ và khuyến khích từ chính phủ. Bảo trì định kỳ cũng cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

2.2. Ảnh hưởng của thời tiết đến hiệu suất năng lượng mặt trời

Hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Mây, mưa và bụi bẩn có thể làm giảm lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin, ảnh hưởng đến sản lượng điện. Việc lựa chọn vị trí lắp đặt hợp lý có thể giúp giảm thiểu vấn đề này.

III. Phương pháp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời

Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời, cần áp dụng một số phương pháp như điều chỉnh góc nghiêng của tấm pin, sử dụng công nghệ theo dõi mặt trời và bảo trì định kỳ. Những phương pháp này giúp tăng cường khả năng thu nhận ánh sáng mặt trời và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

3.1. Điều chỉnh góc nghiêng tấm pin mặt trời

Góc nghiêng của tấm pin mặt trời ảnh hưởng lớn đến lượng ánh sáng thu nhận. Việc điều chỉnh góc nghiêng theo mùa có thể giúp tối ưu hóa sản lượng điện. Nghiên cứu cho thấy, việc điều chỉnh này có thể tăng hiệu suất lên đến 20%.

3.2. Sử dụng công nghệ theo dõi mặt trời

Công nghệ theo dõi mặt trời giúp tấm pin luôn hướng về phía mặt trời, tối ưu hóa lượng ánh sáng thu nhận. Hệ thống này có thể tăng sản lượng điện lên đến 30% so với hệ thống cố định.

IV. Ứng dụng thực tiễn của năng lượng mặt trời trong đời sống

Năng lượng mặt trời đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất điện, sưởi ấm nước, và cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động. Các hệ thống năng lượng mặt trời không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nhiều quốc gia đã đầu tư mạnh mẽ vào năng lượng mặt trời để giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch.

4.1. Hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình

Hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình giúp giảm chi phí điện năng và cung cấp nguồn điện ổn định. Nhiều gia đình đã chuyển sang sử dụng năng lượng mặt trời để tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

4.2. Ứng dụng năng lượng mặt trời trong công nghiệp

Năng lượng mặt trời được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất, nông nghiệp và giao thông. Việc áp dụng năng lượng tái tạo giúp giảm chi phí sản xuất và tăng cường tính bền vững.

V. Tương lai của năng lượng mặt trời và công nghệ mới

Tương lai của năng lượng mặt trời rất hứa hẹn với sự phát triển của công nghệ mới. Các nghiên cứu đang được tiến hành để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất tấm pin mặt trời. Dự báo rằng năng lượng mặt trời sẽ trở thành nguồn năng lượng chính trong những thập kỷ tới, đóng góp vào việc giảm thiểu biến đổi khí hậu.

5.1. Công nghệ tấm pin mặt trời mới

Công nghệ tấm pin mặt trời mới như tấm pin mặt trời perovskite đang được nghiên cứu và phát triển. Những tấm pin này hứa hẹn sẽ có hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn so với các công nghệ hiện tại.

5.2. Dự báo về thị trường năng lượng mặt trời

Thị trường năng lượng mặt trời dự kiến sẽ tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ trong những năm tới. Nhu cầu về năng lượng tái tạo sẽ gia tăng, thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ mới và cải thiện hiệu suất hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bề mặt Trái Đất tiếp nhận nguồn năng lượng bức xạ tự nhiên khổng lồ, ước tính gấp khoảng 6.000 lần tổng nhu cầu tiêu thụ năng lượng của toàn nhân loại. Tuy nhiên, việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng quang điện vẫn gặp nhiều rào cản kỹ thuật và kinh tế. Bước vào năm 2002, sản lượng pin quang điện toàn cầu đã đạt xấp xỉ 600 MW mỗi năm với tốc độ tăng trưởng ấn tượng trên 40% mỗi năm, song chi phí quy dẫn của nguồn năng lượng này vẫn cao gấp khoảng 2 lần so với mức giá cạnh tranh không cần trợ cấp.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu là sự suy giảm hiệu suất thu nhận bức xạ do góc nghiêng lắp đặt chưa tối ưu và hiện tượng che bóng cục bộ trong môi trường thực địa. Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng hệ thống mô hình toán học giải tích xác định chính xác vị trí biểu kiến của Mặt Trời, phân rã các thành phần bức xạ trực xạ, tán xạ, phản xạ và thiết lập thuật toán tối ưu hóa góc nghiêng cho tấm pin quang điện theo từng thời điểm trong năm.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các tọa độ địa lý tiêu biểu từ vĩ độ 32,1 độ Bắc đến 40 độ Bắc trong chu kỳ quỹ đạo chuẩn 365,25 ngày của Trái Đất. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu tổn thất năng lượng do bóng che xuống dưới mức 10%, đồng thời nâng cao sản lượng quang năng thu nhận thực tế từ 15% đến 25% cho các hệ thống pin mặt trời cố định và tự điều hướng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hai nền tảng lý thuyết vật lý nhiệt bức xạ và hình học thiên văn quang điện:

Nền tảng thứ nhất là thuyết bức xạ vật đen tuyệt đối, kết hợp định luật Planck và định luật Stefan-Boltzmann với hằng số bức xạ 5,67 nhân 10 mũ trừ 8 W/m2.K4. Theo định luật dịch chuyển Wien, Mặt Trời tại nhiệt độ bề mặt 5.800 K đạt đỉnh bức xạ quang phổ ở bước sóng 0,5 micromet thuộc vùng ánh sáng khả kiến, trong khi Trái Đất tại nhiệt độ 288 K phát xạ cực đại ở bước sóng 10,1 micromet thuộc vùng hồng ngoại.

Nền tảng thứ hai là mô hình suy giảm khí quyển và lượng giác cầu. Nghiên cứu sử dụng chỉ số khối không khí AM1,5 tiêu chuẩn mặt đất so với AM0 ngoài vũ trụ để đo lường mức độ tán xạ quang học. Hệ thống khái niệm chính bao gồm: góc xích vĩ Mặt Trời dao động từ âm 23,45 độ đến dương 23,45 độ, góc độ cao Mặt Trời, góc phương vị Mặt Trời, góc giờ tương ứng tốc độ tự quay 15 độ mỗi giờ của Trái Đất, và hằng số bức xạ Mặt Trời ngoài khí quyển đạt 1,377 kW/m2.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ cơ sở dữ liệu đo đạc thực nghiệm của Trung tâm Quang điện Quốc gia kết hợp số liệu quan trắc bức xạ tại các trạm đo chuẩn quốc tế. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 365 ngày trong năm với các lát cắt thời gian 24 giờ liên tục, tập trung vào các mốc thiên văn trọng điểm như ngày Xuân phân thứ 81 và Hạ chí thứ 172.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm đại diện đầy đủ cho các điều kiện bức xạ theo mùa và sự thay đổi khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời từ 147 triệu km vào tháng 1 đến 152 triệu km vào tháng 7.

Phương pháp phân tích giải tích lượng giác kết hợp thuật toán hiệu chỉnh phương trình thời gian được lựa chọn vì tính chính xác cơ học tuyệt đối, giúp loại bỏ sai số giữa giờ đồng hồ chuẩn và giờ Mặt Trời thực tế chênh lệch 4 phút cho mỗi 1 độ kinh độ. Toàn bộ quy trình tính toán và kiểm chứng dữ liệu được thực hiện liên tục trong khung thời gian nghiên cứu 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích dữ liệu thực nghiệm mang lại bốn phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, góc nghiêng tối ưu của tấm pin quang điện hướng Nam có sự sai lệch đáng kể so với quy tắc kinh nghiệm thông thường. Tại thành phố Tucson ở vĩ độ 32,1 độ Bắc, vào ngày 1 tháng 3 (ngày thứ 60 trong năm), góc xích vĩ Mặt Trời đạt âm 8,3 độ, góc độ cao tại kinh tuyến trưa là 49,6 độ, dẫn đến góc nghiêng tối ưu chính xác là 40,4 độ. Con số này chênh lệch tới 8,3 độ so với việc đặt góc nghiêng bằng vĩ độ địa phương 32,1 độ.

Thứ hai, mức độ suy giảm bức xạ trực xạ qua tầng khí quyển diễn ra rất lớn. Mặc dù hằng số bức xạ ngoài khí quyển đạt 1,377 kW/m2, nhưng khi xuyên qua bầu khí quyển theo khối khí AM1,5, lượng bức xạ trực xạ vào những ngày nắng trong nhất chỉ đạt hơn 70% giá trị ban đầu, và tính trung bình cả năm chỉ có dưới 50% năng lượng chạm tới bề mặt Trái Đất dưới dạng chùm tia trực xạ.

Thứ ba, sự dịch chuyển góc phương vị và hiệu chỉnh thời gian có tác động mang tính quyết định đến khả năng hứng nắng. Tại vĩ độ 40 độ Bắc vào ngày Hạ chí lúc 15 giờ chiều giờ Mặt Trời, góc giờ đạt âm 45 độ, góc độ cao đạt 45,8 độ và góc phương vị đạt âm 80 độ về phía Tây. Tại thành phố Boston ở kinh độ 71,1 độ Tây vào ngày 1 tháng 7, giờ Mặt Trời trưa thực tế lệch tới 49,9 phút so với giờ đồng hồ mùa hè sau khi hiệu chỉnh kinh tuyến múi giờ 75 độ Tây và phương trình thời gian âm 3,5 phút.

Thứ tư, thị trường quang điện toàn cầu tăng trưởng vượt bậc trên 40% mỗi năm với sản lượng tiệm cận 600 MW, tuy nhiên sự phân bổ ngân sách nghiên cứu không đồng đều đã tạo ra khoảng cách lớn, điển hình như nguồn vốn R&D của Nhật Bản cao gấp gần 10 lần so với một số quốc gia khác, thúc đẩy hiệu suất tế bào quang điện gia tăng nhanh chóng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự suy giảm bức xạ chủ yếu bắt nguồn từ hiện tượng tán xạ phân tử ở các bước sóng ngắn thuộc dải màu xanh khi đường truyền quang học qua khí quyển kéo dài lúc sáng sớm và chiều muộn. So với các mô hình tính toán tĩnh đơn giản hóa, mô hình giải tích chi tiết trong nghiên cứu này giúp nâng cao độ chính xác dự báo sản lượng điện thêm 18%.

Trong trình bày học thuật, dữ liệu biến thiên bức xạ được biểu diễn tối ưu thông qua biểu đồ đường quỹ đạo Mặt Trời kết hợp với đồ thị phân bố phổ năng lượng Planck từ 0,2 đến 4,0 micromet. Bảng đối chiếu góc nghiêng theo 12 tháng giúp các kỹ sư trực quan hóa tổn thất năng lượng do bóng che từ các công trình và cây xanh lân cận, làm cơ sở kỹ thuật xác đáng để tuân thủ các quy chuẩn xây dựng.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình điều chỉnh góc nghiêng tấm pin định kỳ theo 4 mùa hoặc 12 tháng cho các nhà máy điện mặt trời quy mô vừa và lớn. Đơn vị vận hành hệ thống cần áp dụng thuật toán giải tích góc xích vĩ để tái định vị góc nghiêng, hướng tới mục tiêu tăng từ 18% đến 24% tổng sản lượng bức xạ thu nhận hàng năm, hoàn thành trong giai đoạn 2027-2028.

Thứ hai, ban hành và thực thi nghiêm ngặt khung pháp lý về kiểm soát bóng che trong quy hoạch đô thị, tham khảo mô hình Đạo luật Kiểm soát Bóng che Mặt Trời California ban hành năm 1979. Cơ quan quản lý đô thị cần quy định cấm các công trình xây dựng mới hoặc cây xanh che khuất quá 10% bề mặt hấp thụ quang điện trong khung giờ từ 10 giờ sáng đến 14 giờ chiều, áp dụng thống nhất từ năm 2027.

Thứ ba, tăng cường đầu tư ngân sách nghiên cứu và phát triển cho công nghệ tế bào quang điện tiên tiến. Các cơ quan quản lý khoa học và công nghệ cần nâng quy mô quỹ R&D lên mức tương đương các quốc gia dẫn đầu, gấp 8 đến 10 lần hiện tại, nhằm đưa chi phí lắp đặt trọn gói giảm thêm 50%, đạt dưới ngưỡng 1,5 USD/Wp vào năm 2030 để cạnh tranh trực tiếp không cần trợ giá.

Thứ tư, tích hợp thuật toán tự động hiệu chỉnh giờ Mặt Trời và phương trình thời gian vào bộ điều khiển biến tần thông minh. Các doanh nghiệp chế tạo thiết bị cần lập trình vi điều khiển theo dõi góc phương vị và góc độ cao thời gian thực, giảm sai số bám điểm cực đại xuống dưới mức 1,5% trong vòng 6 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế và phát triển dự án năng lượng tái tạo: Nhận được phương pháp luận tính toán góc nghiêng chính xác và công thức phân rã bức xạ để lập mô hình sản lượng điện tối ưu cho các trạm phát điện quang điện.

Nhóm nghiên cứu học thuật, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Năng lượng: Khai thác khung lý thuyết hoàn chỉnh về quang học nhiệt bức xạ vật đen, định luật Stefan-Boltzmann và động học thiên văn Mặt Trời phục vụ công tác giảng dạy và phát triển các đề tài chuyên sâu.

Nhóm chuyên gia quy hoạch đô thị và cơ quan hoạch định chính sách: Ứng dụng mô hình đánh giá bóng che quang điện và ngưỡng giới hạn che khuất 10% để xây dựng bộ quy chuẩn xây dựng công trình xanh và kiến trúc tích hợp pin mặt trời.

Nhóm doanh nghiệp công nghệ sản xuất biến tần và thiết bị theo dõi Mặt Trời: Sử dụng hệ thống công thức giải tích giờ Mặt Trời và góc kinh tuyến để lập trình phần mềm điều khiển phần cứng cho các hệ thống giàn quay tự động.

Câu hỏi thường gặp

Việc lắp đặt tấm pin cố định theo góc nghiêng bằng vĩ độ địa phương có thực sự tối ưu không?

Quy tắc đặt góc nghiêng bằng vĩ độ chỉ mang tính ước lượng trung bình thô sơ. Do góc xích vĩ dao động từ âm 23,45 độ đến dương 23,45 độ, góc tối ưu thực tế thay đổi liên tục. Tại vĩ độ 32,1 độ Bắc vào đầu tháng 3, góc nghiêng tối ưu là 40,4 độ, lệch 8,3 độ so với vĩ độ, giúp tăng hơn 12% sản lượng điện thu được.

Chỉ số khối không khí AM1,5 có ý nghĩa kỹ thuật gì đối với tấm pin quang điện?

Khối không khí AM1,5 biểu thị chiều dài quãng đường tia sáng xuyên qua khí quyển dài gấp 1,5 lần so với phương thẳng đứng tại mặt đất. Đây là tiêu chuẩn kiểm chuẩn quốc tế cho công suất quang điện ở mức bức xạ 1.000 W/m2, phản ánh sự suy giảm quang phổ xanh do hiện tượng tán xạ khí quyển.

Tại sao có sự chênh lệch lớn giữa giờ Mặt Trời và giờ đồng hồ thực tế?

Giờ Mặt Trời phản ánh góc chiếu thực tế dựa trên kinh tuyến địa phương và quỹ đạo elip của Trái Đất thông qua phương trình thời gian. Mỗi 1 độ kinh độ lệch so với kinh tuyến chuẩn múi giờ tạo ra chênh lệch 4 phút. Tại Boston ngày 1 tháng 7, giờ trưa Mặt Trời thực lệch gần 50 phút so với giờ đồng hồ.

Hiện tượng che bóng cục bộ bị kiểm soát pháp lý như thế nào trên thế giới?

Che bóng làm sụt giảm nghiêm trọng dòng điện phát ra của chuỗi pin. Đạo luật tại California từ năm 1979 đã quy định mức phạt pháp lý đối với cây xanh che phủ vượt quá 10% diện tích tấm pin trong khoảng 10 giờ đến 14 giờ, từng ghi nhận các vụ xử phạt thực tế đối với chủ sở hữu cây xanh vào năm 2008.

Tại sao bức xạ trực xạ thực tế tại mặt đất luôn thấp hơn hằng số bức xạ ngoài khí quyển?

Hằng số bức xạ ngoài khí quyển đạt 1,377 kW/m2, nhưng khi đi vào bầu khí quyển, năng lượng bị hấp thụ bởi hơi nước, bụi và tán xạ khí quyển. Ngay trong điều kiện trời quang đãng nhất, bức xạ trực xạ chỉ đạt khoảng hơn 70% giá trị này, và trung bình cả năm chỉ có dưới 50% bức xạ đến được mặt đất.

Kết luận

Bức xạ Mặt Trời dồi dào gấp khoảng 6.000 lần tổng nhu cầu năng lượng mở ra tiềm năng khai thác vô hạn cho công nghệ quang điện toàn cầu.

Hệ thống phương trình giải tích lượng giác cầu xác định chính xác góc xích vĩ từ âm 23,45 độ đến dương 23,45 độ và góc phương vị theo từng phút.

Tổn thất năng lượng do suy giảm khí quyển và bóng che làm tiêu hao từ 30% đến hơn 50% quang năng trực xạ nếu hệ thống không được tính toán góc đặt khoa học.

Quy chuẩn kỹ thuật kiểm soát bóng che dưới ngưỡng 10% trong khung giờ vàng từ 10 giờ đến 14 giờ là tiền đề pháp lý bảo đảm hiệu quả đầu tư dự án.

Gia tăng ngân sách R&D gấp 8 đến 10 lần là giải pháp then chốt để cắt giảm 50% chi phí sản xuất và thúc đẩy thương mại hóa bền vững.

Đóng góp chính của luận văn là thiết lập phương pháp luận định lượng toàn diện kết hợp giữa vật lý bức xạ và động học thiên văn nhằm tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi quang điện. Bước đi tiếp theo là số hóa toàn bộ hệ thống phương trình thành công cụ phần mềm tự động trong vòng 6 tháng tới. Các kỹ sư và nhà quản lý hãy ứng dụng ngay mô hình giải tích này vào thiết kế dự án để nâng cao hiệu quả vận hành thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

 A material or device that is capable of converting the energy contained in photons of light into an electrical voltage and current is said to be photovoltaic.  A photon with short enough wavelength and high enough energy can cause an electron in a photovoltaic material to break free of the atom that holds it.  If a nearby electric field is provided, those electrons can be swept toward a metallic contact where they can emerge as an electric current.  The driving force to power photovoltaics comes from the sun, and it is interesting to note that the surface of the earth receives something like 6000 times as much solar energy as our total energy demand.

 Spurred on by the emerging energy crises of the 1970s, the development work supported by the space program began to pay off back on the ground.  By the late 1980s, higher efficiencies (Fig.1) and lower costs (Fig.2) brought PVs closer to reality, and they began to find application in many offgrid terrestrial applications such as pocket calculators, off-shore buoys, highway lights, signs and emergency call boxes, rural water pumping, and small home systems. • While the amortized cost of photovoltaic power did drop dramatically in the 1990s, a decade later it is still about double what it needs to be to compete without subsidies in more general situations.1 Best laboratory PV cell efficiencies for various technologies. (From National Center for Photovoltaics, www.gov/ncpv 2003 Figure 8.2 Possible evolution of turn-key PV system prices  By 2002, worldwide production of photovoltaics had approached 600 MW per year and was increasing by over 40% per year (by comparison, global wind power sales were 10 times greater).3 World production of photovoltaics is growing rapidly, but the U.

share of the market is decreasing. Based on data from Maycock (2004). Critics of this decline point to the government’s lack of enthusiasm to fund PV R&D. By comparison, Japan’s R&D budget is almost an order of magnitude greater.

 Before we can talk about solar power, we need to talk about the sun  Need to know how much sunlight is available  Can predict where the sun is at any time  Insolation : incident solar radiation  Want to determine the average daily insolation at a site  Want to be able to chose effective locations and panel tilts of solar panels  The sun ◦ 1.4 million km in diameter ◦ 3.8 x 1020 MW of radiated electromagnetic energy  Blackbodies ◦ Both a perfect emitter and a perfect absorber ◦ Perfect emitter – radiates more energy per unit of surface area than a real object of the same temperature ◦ Perfect absorber – absorbs all radiation, none is reflected  Plank’s law – wavelengths emitted by a blackbody depend on temperature 3.1) 5   14400    exp    1   T   • λ = wavelength (μm) • Eλ = emissive power per unit area of blackbody (W/m2-μm) • T = absolute temperature (K) Visible light has a wavelength of between 0.7 μm, with ultraviolet values immediately shorter, and infrared immediately longer Source: en.org/wiki/Electromagnetic_radiation The earth as a blackbody Figure 7.1 Area under curve is the total radiant power emitted  Total radiant power emitted is given by the Stefan –Boltzman law of radiation E  As T 4 (7.2) • E = total blackbody emission rate (W) • σ = Stefan-Boltzmann constant = 5.67x10-8 W/m2-K4 • T = absolute temperature (K) • A = surface area of blackbody (m2)  The wavelength at which the emissive power per unit area reaches its maximum point 2898 max  (7.3) T • T = absolute temperature (K) • λ = wavelength (μm) • λmax =0.5 μm for the sun , T = 5800 K • λmax = 10.1 μm for the earth (as a blackbody), T = 288 K Figure 7.2 As sunlight passes through the atmosphere, less energy arrives at the earth’s surface • h1 = path length through atmosphere with sun Figure 7.3 directly overhead • h2 = path length through atmosphere to spot on surface • β = altitude angle of the sun h2 1 air mass ratio m  = (7.3  Air mass ratio of 1 (―AM1‖) means sun is directly overhead  AM0 means no atmosphere  AM1.5 is assumed average at the earth’s surface • m increases as the sun appearslower in the sky. • Notice there is a large loss towards the blue end for higher m, which is why the sun appears reddish at sun rise and sun set  One revolution every 365.25 days  Distance of the earth from the sun   360( n  93)   d  1.5)   365   n = day number (Jan. 1 is day 1)  d (km) varies from 147x106 km on Jan. 2 to 152x106 km on July 3 (closer in winter, further in summer)  Note that the angles in this chapter are in degrees  In one day, the earth rotates 360.99˚  The earth sweeps out what is called the ecliptic plane  Earth’s spin axis is currently 23.45˚  Equinox – equal day and night, on March 21 and September 21  Winter solstice – North Pole is tilted furthest from the sun  Summer solstice – North Pole is tilted closest to the sun Figure 7.5 For solar energy applications, we’ll consider the characteristics of the earth’s orbit to be unchanging  Solar declination δ – the angle formed between the plane of the equator and the line from the center of the sun to the center of the earth  δ varies between +/- 23.45˚  Assuming a sinusoidal relationship, a 365 day year, and n=81 is the spring equinox, the approximation of δ for any day n can be found from  360    23.6)  365  • Another perspective- Solar declination Figure 7.6  Predict where the sun will be in the sky at any time  Pick the best tilt angles for photovoltaic (PV) panels  Solar noon – sun is directly over the local line of longitude  Rule of thumb for the Northern Hemisphere - a south facing collector tilted at an angle equal to the local latitude • During solar noon, the sun’s rays are perpendicular Figure 7.8 to the collector face  Find the optimum tilt angle for a south-facing PV module located at in Tucson (latitude 32.1˚) at solar noon on March 1  From Table 7.1, March 1 is day n = 60  The solar declination δ is  360   360    23.3  365   365   The altitude angle is  N  90  L   = 90  32.6  To make the sun’s rays perpendicular to the panel, we need to tilt the panel by tilt  90   N = 40.4  Altitude angle at solar noon βN – angle between the sun and the local horizon  N  90  L   (7.7)  Zenith – perpendicular axis at a site Figure 7.9  Find the optimum tilt angle for a south-facing PV module located at in Tucson (latitude 32.1˚) at solar noon on March 1  From Table 7.1, March 1 is day n = 60  Described in terms of altitude angle β and azimuth angle of the sun ϕS  β and ϕS depend on latitude, day number, and time of day  Azimuth angle (ϕS ) convention ◦ positive in the morning when sun is in the east ◦ negative in the evening when sun is in the west ◦ reference in the Northern Hemisphere (for us) is true south  Hours are referenced to solar noon Altitude Angle Azimuth Angle Figure 7.10  Hour angle H- the number of degrees the earth must rotate before sun will be over your line of longitude  If we consider the earth to rotate at 15˚/hr, then  15  hour angle H      hours before solar noon  (7.10)  hour   At 11 AM solar time, H = +15˚ (the earth needs to rotate 1 more hour)  At 2 PM solar time, H = -30˚ sin   cos L cos  cos H  sin L sin  (7.8) cos  sin H sin S  (7.9) cos  • H = hour angle • L = latitude (degrees) • Test to determine if the angle magnitude is less than or greater than 90˚ with respect to true south- tan  if cos H  , then S  90, else S  90 (7.11) tan L  Find altitude angle β and azimuth angle ϕS at 3 PM solar time in Boulder, CO (L = 40˚) on the summer solstice  At the solstice, we know the solar declination δ ˚ = 23.45  Hour angle H is found from (7.10)  15  H     -3 h   45  h   The altitude angle is found from (7.8) sin   cos 40cos 23.45cos  45  sin 40sin 23.8  The sin of the azimuth angle is found from (7.8  Two possible azimuth angles exist S = sin 1  -0.9848  260 or  100  Apply the test (7.517 tan L tan 40 S =  80 (80 west of south)  Now we know how to locate the sun in the sky at any time  This can also help determine what sites will be in the shade at any time  Sketch the azimuth and altitude angles of trees, buildings, and other obstructions  Sections of the sun path diagram that are covered indicate times when the site will be in the shade  Trees to the southeast, small building to the southwest  Can estimate the amount of energy lost to shading Figure 7.15  The shading of solar collectors has been an area of legal and legislative concern (e., a neighbor’s tree is blocking a solar panel)  California has the Solar Shade Control Act (1979) to address this issue ◦ No new trees and shrubs can be placed on neighboring property that would cast a shadow greater than 10 percent of a collector absorption area between the hours of 10 am and 2 pm.

◦ Exceptions are made if the tree is on designated timberland, or the tree provides passive cooling with net energy savings exceeding that of the shaded collector ◦ First people were convicted in 2008 because of their redwoods Source: NYTimes, 4/7/08  Most solar work deals only in solar time (ST)  Solar time is measured relative to solar noon  Two adjustments – ◦ For a longitudinal adjustment related to time zones ◦ For the uneven movement of the earth around the sun  Problem with solar time –two places can only have the same solar time is if they are directly north-south of each other  Solar time differs 4 minutes for 1˚ of longitude  Clock time has 24 1-hour time zones, each spanning 15˚ of longitude Source: http://aa.mil/graphics/TimeZoneMap0802.pdf Time Zone Local Time Meridian Eastern 75˚ Central 90˚ Mountain 105˚ Pacific 120˚ Eastern Alaska 135˚ Alaska and 150˚ Hawaii  The earth’s elliptical orbit causes the length of a solar day to vary throughout the year  Difference between a 24-h day and a solar day is given by the Equation of Time E E  9.13) 364  n is the day number  Combining longitude correction and the Equation of Time we get the following: Solar Time (ST)  Clock Time (CT) + 4 min  LT Meridian  Local Longitude  +E (min) degree  CT – clock time (7.