CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 4 do an Đồ án tốt nghiê ̣p Chương 2: Cơ sở lý thuyết CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 do an Đồ án tốt nghiê ̣p 2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Năng lươ ̣ng mă ̣t trời 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 cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng các dòng sông… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên 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 Trái Đất. Cấ u trúc mă ̣t trời Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí cách quả đất 1,495.
Từ Trái Đất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31’59. từ đó có thể tính được bán kính của Mặt Trời là R=1,4.106km, tức là bằng 109 lần đường kính Trái Đất và do đó thể tích của Mặt Trời cũng lớn hơn thể tích của Trái Đất khoảng 130. Từ định luật Vạn Vật Hấp Dẫn người ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lượng của Trái Đất là 33. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4 g/cm3, lớn hơn khối lượng riêng của nước khoảng 50%.
Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của Mặt Trời rất khác nhau, ở phần lõi do bị nén với áp suất cao nên mật độ có thể lên đến 160g/cm3 nhưng càng xa ra phía ngoài thì mật độ càng giảm và giảm rất nhanh. Một cách khái quát ta có thể chia mặt trời thành hai phần chính là phần phía trong và phần khí quyển bên ngoài: - Phần khí quyển bên ngoài lại chia thành ba miền khác nhau là Quang cầu, Sắc cầu và Nhật miện. - Phần bên trong được chia thành ba lớp là tầng đối lưu, tầng trung gian, lõi Mặt Trời.1: Cấ u trúc mă ̣t trời. Hin CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 do an Đồ án tốt nghiê ̣p Từ mặt đất nhìn lên, ta có cảm giác Mặt Trời là một quả cầu lửa ổn định.
Thực ra đó là một khối khí khổng lồ, bên trong nó luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng, đó là các phản ứng nhiệt hạch vô cùng lớn, sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến đổi của các quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanh các đám đen là các bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng Mặt Trời. Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xung sáng.luôn luôn thay đổi và rất dữ dội. Về mặt vật chất thì Mặt Trời chứa đến 78,4% khí hydro(H2), Heli(He) chiếm 19,8%, các nguyên tố khác chiếm 1,8 %. Năng lượng mặt trời do bức xạ là khổng lồ, mỗi dây nó phát ra 3,865.1026J tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn.
Tuy vậy nhưng bề mặt của Trái Đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ khoảng 17,57. Năng lượng mặt trời Năng lượng Mặt Trời được sử dụng trên Trái Đất dưới nhiều dạng khác nhau và hình thức khác nhau. Thực tế hiện nay, chúng ta sử dụng năng lượng Mặt Trời để cấp nhiệt và điện: - Năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt: sinh nhiệt, giữ nhiệt. - Năng lượng mặt trời dưới dạng điện: tạo ra điện năng… Năng lượng Mặt Trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân.
Theo thuyết tương đối của Einstein và qua phản ứng nhiệt hạch, khối lượng có thể chuyển thành năng lượng. Nhiệt độ mặt ngoài của Mặt Trời khoảng 6000K(độ Kenvin), còn ở bên trong nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu độ. áp suất bên trong Mặt Trời lớn hơn 340. Do nhiệt độ và áp suất bên trong Mặt Trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hoá và chuyển động với năng lượng rất lớn, chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân.
Người ta đã xác định nguồn năng lượng 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 và Nitơ(C – N) và phản ứng hạt nhân proton – proton. Mặt trời là Nguồn năng lượng vô tận mà thiên nhiên ban tặng cho con người, hiện hữu khắp nơi trên Trái Đất và là người bạn thân thiết của môi trường. Vượt trên tất cả các dạng năng lượng khác, hiện nay năng lượng mặt trời đang được chọn là nguồn năng lượng tốt nhất cho tương lai. Phổ bức xạ mặt trời Bức xạ Mặt Trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình chuyển các dao động điện từ trường trong không gian.
Trong quá trình truyền sóng, các vecteur cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động gọi là bước sóng . Trong chân không, vận tốc truyền sóng của sóng điện từ đúng bằng tốc độ của ánh sáng 3. Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 do an Đồ án tốt nghiê ̣p bằng v=c/n, trong đó c là vận tốc ánh sáng, n là chiết suất tuyệt đối của môi trường(n≤1).
Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10-7nm đến hàng nghìn km.2: Phổ bức xạ mặt trời. Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4nm đến gần 0,8nm, chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong phổ sóng điện từ của bức xạ Mặt Trời. Cần chú ý rằng, mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng khác nhau thì gây ra các tác dụng lý, hoá, sinh khác nhau. Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây cho ta cảm giác và màu sắc khác nhau của ánh sáng.
Khi đi từ bước sóng dài =0,8nm đến bước sóng ngắn =0,4nm ta nhận thấy màu sắc của ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mắt người nhạy nhất đối với ánh sáng màu vàng có bước sóng =580nm. Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau.3a sau đây sẽ cho chúng ta thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của nó, còn bảng 2.3b là mối quan hệ giữa màu sắc ánh sáng và bước sóng của nó.3a: phân bố phổ bức xạ Mặt Trời theo bước sóng. Quang phổ Bước sóng Mật độ năng lượng Tỷ lệ(%) (W/m2) Tia vũ trụ < 0,1nm 6,978.10-7 0,7 Tia tử ngoại C 0,2 ÷ 0,28nm 7,864.106 1,55 Tia tử ngoại B 0,28 ÷ 0,32nm 2,122.101 5,90 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 do an Đồ án tốt nghiê ̣p Tia tử ngoại A 0,32 ÷ 0,4nm 8,073.101 Tia nhìn thấy 0,4 ÷ 0,52nm 2,240.102 30,18 Tia hồng ngoại 1,4 ÷ 3,00nm 1,836.101 1,93 0,1 ÷ 10,0cm Sóng vô tuyến 10,0 ÷ 100,0cm 1,0 ÷ 20m Từ bảng trên ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ Mặt Trời chủ yếu phân bố trong dải bước sóng từ =0,2nm (Tử ngoại C, mật độ 0,57%) đến =0,3nm (Hồng ngoại, mật độ năng lượng 1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ năng lượng không đáng kể.3b: màu sắc và ánh sang của bức xạ Mặt Trời.
Màu sắc Bước sóng(nm) Vùng sóng(nm) Đỏ 700 640 ÷ 760 Cam 620 600 ÷ 640 Vàng 580 550 ÷ 600 Xanh 510 480 ÷ 550 Lam 470 450 ÷ 480 Tím 420 400 ÷ 450 Phổ bức xạ của năng lượng mặt trời Trái Đất bị bao bọc bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng 7991 km, bao gồm các phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và các đám mây,. Vì vậy khi bức xạ Mặt Trời xuyên qua lớp khí quyển đến mặt đất thì năng lượng và phổ của nó bị thay đổi rất nhiều. Ở bên ngoài lớp khí quyển Trái Đất, năng lượng bức xạ Mặt Trời có giá trị là 1353W/m2( là hằng số) và gọi là hằng số Mặt Trời. Phổ của bức xạ Mặt Trời là một đường cong liên tục có năng lượng chủ yếu nằm trong vùng có bước sóng trong khoảng 0,1nm đến 0,3nm.
Khi các tia Mặt Trời xuyên vào khí quyển để đến Trái Đất, gặp các phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi,. sẽ bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần năng lượng của nó không tới được mặt đất và sự suy giảm năng lượng này do các quá trình CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 do an Đồ án tốt nghiê ̣p vật lý phức tạp gây ra, đặc biệt là đối với những ngày mây mù, mưa giông thì sự suy giảm còn xảy ra mạnh hơn nữa. Năng lượng bức xạ ở mặt đất nhận được(còn gọi là tổng xạ) gồm hai thành phần: Bức xạ trực tiếp và bức xạ khuyếch tán. Bức xạ trực tiếp(Trực xạ):Là các tia sáng Mặt Trời đến thẳng mặt đất, không bị thay đổi hướng khi đi xuyên qua lớp khí quyển.
Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của Mặt Trời trên bầu trời, tức là phụ thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát. Bức xạ khuyếch tán(hay nhiễu xạ): gọi tắt là tán xạ là các thành phần các tia Mặt Trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như khúc xạ, phản xạ,.vì vậy hướng của nhiễu xạ không xác định được. Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia Mặt Trời xảy ra khi nó đi qua lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia trong lớp khí quyển, độ dài này phụ thuộc vào độ cao của Mặt Trời hay chính xác hơn là khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất ở mỗi thời điểm trong ngày khác nhau thì cường độ năng lượng bức xạ Mặt Trời là khác nhau. Ví dụ như ở thời điểm 12h trưa, khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời là ngắn nhất, vì vậy bức xạ năng lượng bị hấp thụ và tán xạ là ít nhất.
Còn khi Mặt Trời mọc hoặc lặn thì khoảng cách là xa Trái Đất nhất nên bức xạ bị hấp thụ và tán xạ là nhiều nhất.2 Pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch và vô tận mà thiên nhiên ban tặng cho chúng ta. Một trong những kỹ thuật sử dụng năng lượng Mặt Trời là sản xuất điện năng - điện Mặt Trời.