CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1. Cấu trúc của mặt trời Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1.390,106km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150. Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =2. Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K, trung bình khoảng 15600000 K.
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 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.
Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ (Hình 1. Cấu trúc cơ bản của mặt trời [17] 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 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 3 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 truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 60000K, dày 1000km, 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 45000K và các tai lửa có nhiệt độ từ 70000K -100000K.Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời [23].
Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 5762K 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 [20]. 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 hiđrô. Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73.46% là hiđrô và gần 24,85% là Hêli còn lại là các nguyên tố và các chất khác như ôxy 0,77%, cacbon 0,29%, sắt 0,16%, neon 0,12%, nitơ 0,09%, silic 0,07%, magiê 0,05% và lưu huỳnh 0,04%.
Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Heli. Hạt nhân của Hiđro 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 Heli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ γ [21]: 4H11 → He24 + 2Neutrino +γ 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. Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.10 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong 4 thời gian hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.
Tổng quan về nguồn 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 và 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 quý 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. Phản ứng hạt nhân trong mặt trời 1.1 Phản ứng tổng hợp hạt nhân Trong quá trình hình thành, nhiệt độ bên trong Mặt trời sẽ tăng dần. Khi vùng tâm mặt trời đạt nhiệt độ T≥ 107 độ K, thì có đủ điều kiện để xảy ra phản ứng tổng hợp Heli từ Hydro, theo phương trình [22]: 4H1 → He4 + q.
Đây là phản ứng sinh nhiệt q = ∆m.10m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không, ∆m = (4mH - mHe) là khối lượng bị hụt, được biến thành 4 năng lượng theo phương trình Einstein. Mỗi 1kg hạt nhân H chuyển thành He thì bị hụt một khối lượng ∆m = 0,01kg, và giải phóng ra năng lượng: q = ∆m.1014J Lượng nhiệt sinh ra sẽ làm tăng áp suất khối khí, khiến mặt trời phát ra ánh sáng và bức xạ, và nở ra cho đến khi cân bằng với lực hấp dẫn. Mỗi giây Mặt trời 5 tiêu hủy hơn 420 triệu tấn hyđrô, giảm khối lượng ∆m = 4,2 triệu tấn và phát ra năng lượng Q = 3,8. Giai đoạn đốt Hyđrô của Mặt trời đã được khởi động cách đây 4,5 tỷ năm, và còn tiếp tục trong khoảng 5,5 tỷ năm nữa [18].
Phản ứng tổng hợp Cacbon và các nguyên tố khác Khi nhiên liệu H2 dùng sắp hết, phản ứng tổng hợp He sẽ yếu dần, áp lực bức xạ bên trong không đủ mạnh để cân bằng lực nén do hấp dẫn, khiến thể tích co lại. Khi co lại, khí He bên trong bị nén nên nhiệt độ tăng dần, cho đến khi đạt tới nhiệt độ 108 độ K, sẽ xảy ra phản ứng tổng hợp nhân Cacbon từ He 3He4 → C12 + q Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao, tốc độ lớn, nên thời gian cháy He chỉ bằng 1/30 thời gian cháy H2 khoảng 300 triệu năm. Nhiệt sinh ra trong phản ứng làm tăng áp suất bức xạ, khiến ngôi sao nở ra hàng trăm lần so với trước. Lúc này mặt ngoài sao nhiệt độ khoảng 4000 độ K, có màu đỏ, nên gọi là sao đỏ khổng lồ.
Vào thời điểm là sao đỏ khổng lồ, Mặt trời sẽ nuốt chửng sao Thủy và sao Kim, nung Trái đất đến 1500 độ K thành một hành tinh nóng chảy, kết thúc sự sống tại đây. Kết thúc quá trình cháy He, áp lực trong sao giảm, lực hấp dẫn ép sao co lại, làm mật độ và nhiệt độ tăng lên, đến T= 5.10K sẽ xảy ra phản ứng tạo Oxy: 4C12 → 3O16 + q Quá trình cháy xảy ra như trên, với tốc độ tăng dần và thời gian ngắn dần. Chu trình cháy - tắt - nén - cháy được tăng tốc, liên tiếp thực hiện các phản ứng tạo nguyên tố mới O16 → Ne20 → Na22 → Mg24 →Al26 → Si28 → P30 → S32 →. → Cr52 → Mn54→ Fe56.
Các phản ứng trên đã tạo ra hơn 20 nguyên tố, tận cùng là Fe (gồm 26 proton và 30 netron), toàn bộ quá trình được tăng tốc, xảy ra chỉ trong vài triệu năm [19]. Sau khi tạo ra Fe56 , chuỗi phản ứng hạt nhân trong ngôi sao kết thúc, vì việc tổng hợp sắt thành nguyên tố nặng hơn không có độ hụt khối lượng, không phát sinh năng lượng, mà cần phải cấp thêm năng lượng.3 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 đầu khi đi qua 5.105km chiều dày của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng 6 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 (Hình 1.2), 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. Dải bức xạ điện từ [20] 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 với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức (1) [16]: 𝑇 4 𝑞 = 𝜑𝐷−𝑇 ⋅ 𝐶0 ( ) (1) 100 Ở đây: 𝜑𝐷−𝑇 là hệ số góc bức xạ trực xạ giữa trái đất và mặt trời 𝛽2 𝜑𝐷−𝑇 = (2) 4 β là góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’như hình 1.K4 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối T ≈ 57620K là nhiệt độ bề mặt mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối) Hình 1. Góc nhìn mặt trời [20] 2.60 ) 5762 4 Vậy 𝑞 = ⋅ 5,67 ⋅ ( ) ≈ 1353 W/𝑚2 (3) 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.