Chương 1: Tổng quan về điện mặt trời. Chương 2: Các bộ điện tử công suất trong nhà máy điện mặt trời. Chương 3: Phân tích chất lượng điện áp của nhà máy điện mặt trời. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI 1.
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1. Giới thiệu năng lượng mặt trời Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro.
Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong qua trình được truyền từ tâm Mặt Trời ra ngoài, tương tác vơi các nguyên tố khác bên trong Mặt Trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau. Quá trình bức xạ của Mặt Trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ năm nữa. Năng lượng mặt trời là năng lượng được được con người khai thác từ bức xạ ánh sáng và nhiệt 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 cũng là nguồn gốc các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều… 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. Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro(H2), Heli (He) chiếm 19,8 % các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chiếm 1,8%. Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ, mỗi giây nó phát ra 3,865.1026 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,321.016 tấn than đá tiêu chuẩn.
Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một 5 năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57. Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu độ. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.
Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn. Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Nguồn năng lượng của mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon, Nito và phản ứng hạt nhân Proton- Proton.
Khối lượng mặt trời xấp xỉ 21. Như vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu dài. Vai trò của năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng nguyên tử.
Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời. Việc sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So với các nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả có hại đến môi trường. Bức xạ mặt trời Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%.
Bức xạ γ ban 6 đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Độ dài bước sóng ( µ m) 10exp -8 10exp -6 10exp -2 10exp 0 10exp 2 10exp 4 10exp 6 10exp 8 10exp10 Bức xạ nhiệt Tia Gamma Tử ngoại Radar, TV, Radio 25 Tia Cosmic Tia X Gần Xa Radio Radio Tia hồng ngoại Sóng ngắn Sóng dài Ánh sáng trong thấy 0,38 – 0,78 3 Năng lượng mặt trời Hình 1. 1 Dải bức xạ điện từ Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, 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 khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: 7 4 T q=φ D-T .1) 100 Trong đó: β2 + φ D-T : hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời φ D-T = (1.2) 4 β - góc nhìn mặt trời với giá rị khoảng β ≈ 32’ + C0 = 5,67 W/m2.K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối. + T ≈ 5762 0K - nhiệt độ bề mặt Mặt trời Mặt trời Trái đất β = 32’ D’ = 12 700 km 149 500 000 km ± 1,7% Hình 1. 2 Góc nhìn mặt trời 2 2.
4 100 Do khoảng cách giữa 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 này 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 bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên ôxy phân tử 8 bình thường O2 phân ly thành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, 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 một 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. 3 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 bước sóng ngắn nhất.
Sau 9 khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí Cácbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có nhiều mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi trong không gian.
Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm. 4 Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm 10 1. Tính toán năng lượng bức xạ mặt trời Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (Góc giữa phương từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua.