TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM
KHOA: LÝ – HÓA - SINH

--------

TRẦN THANH TRÀ

ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI TRONG HỆ THỐNG ĐÈN

CHIẾU SÁNG TUYẾN ĐƯỜNG
LÊ LỢI – TP. TAM KỲ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Tam kỳ, tháng 07 năm 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM
KHOA: LÝ – HÓA - SINH

--------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI TRONG HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG
TUYẾN ĐƯỜNG LÊ LỢI – TP. TAM KỲ

Sinh viên thực hiện
TRẦN THANH TRÀ
MSSV: 2116020156

CHUYÊN NGHÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ
KHÓA: 2016 – 2020

Cán bộ hướng dẫn
Th.S NGÔ THỊ HỒNG NGA

MSCB:................

Tam kỳ, tháng 07 năm 2020

LỜI CẢM ƠN

Bài luận văn này là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của tơi tại trường

Đại Học Quảng Nam. Với tình cảm chân thành tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới

các quý thầy cô giáo trong trường Đại Học Quảng Nam đã quan tâm và giúp đỡ tơi

trong q trình học tập và thực hiện đề tài này.

Tôi cũng chân thành cảm ơn tới cô giáo Th.s Ngô Thị Hồng Nga. Mặc dù rất nhiều

công việc nhưng cô vẫn quan tâm, giúp đỡ, động viên tơi trong q trình làm khóa

luận.

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến các thầy cơ giáo trong khoa Lý – Hóa – Sinh nói

chung và bộ mơn Vật Lý nói riêng đã dành thời gian quý bấu để đọc, nhận xét, tham


gia hội đồng chấm khóa luận này, giúp cho việc nghiên cứu luận văn tốt nghiệp của tơi

hồn chỉnh hơn.

Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn người thân trong gia đình và mọi người xung

quanh tôi đã động viên tôi về mặt tinh thần và vật chất trong suốt quá trình nghiên cứu

khóa luận.

Do kiến thức cịn hạn chế và đây là lần đầu tiên tôi đi sâu vào nghiên cứu một đề tài

khoa học nên tôi không thể tránh khỏi sự thiếu sót. Tơi rất mong nhận được sự đóng

góp ý kiến của quý thầy cô giáo cùng các bạn sinh viên để đề tài khóa luận của tơi

được hồn chỉnh hơn.

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện

Trần Thanh Trà

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu và kết quả nêu
trong bài khóa luận này là trung thực.

Người thực hiện


Trần Thanh Trà

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮC
DOD : Mức xả sâu
EVN : Tập đoàn điện lực Việt Nam
NLMT : Năng lượng mặt trời
PV : Mảng pin năng lượng
𝐼𝑆𝐶 : Dòng ngắn mạch

MỤC LỤC

PHẦN 1.PHẦN MỞ ĐẦU ...........................................................................................................1

1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................. 1
2. Mục tiêu đề tài ...................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 2
3.1. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................ 2
3.2. Phạm vi nghiên cứu........................................................................................... 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2
6. Cấu trúc tổng quan của đề tài ............................................................................. 2

PHẦN 1.PHẦN NỘI DUNG .......................................................................................................4
CHƯƠNG 1. ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. CÁC ỨNG DỤNG CỦA
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................... 4

1.1. Năng lượng mặt trời.......................................................................................... 4
1.2. Bức xạ mặt trời .................................................................................................. 4
1.3. Tính tốn bức xạ năng lượng mặt trời ............................................................ 7
1.3.1. Tính tốn góc tới của bức xạ trực................................................................. 7

1.3.2. Bức xạ mặt trời ngồi khí quyển lên bề mặt nằm ngang ........................... 7
1.3.3. Cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất ............................................ 8
1.4. Các ứng dụng năng lượng mặt trời ................................................................. 10
1.4.1. Hệ thống bếp nấu dùng năng lượng mặt trời .............................................. 10
1.4.2. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ......................... 12
1.4.3. Hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời ...................................................... 12
1.4.4. Thiết bị lạnh dùng năng lượng mặt trời cho các trạm y tế ........................ 13

Kết luận chương 1..................................................................................................... 14
CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC CỦA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI ................................. 15

2.1. Pin năng lượng Mặt Trời.................................................................................. 15
2.1.1. Khái niệm pin năng lượng Mặt Trời............................................................ 15
2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời .................. 15
2.1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin mặt trời.......................................... 15

2.1.2.2. Hiệu ứng quang điện .................................................................................. 17
2.1.3. Đặc tính làm việc pin năng lượng ................................................................. 20
2.1.4. Mảng pin năng lượng..................................................................................... 22
2.2. Phân tích các thành phần của hệ thống điện năng lượng mặt trời .............. 23
2.2.1. Bộ điều khiển sạc............................................................................................ 23
2.2.2. Bộ biến đổi dòng AC/DC ............................................................................... 24
2.2.3. Bộ lưu trữ năng lượng ................................................................................... 25
2.2.3.1. Khái niệm ac-quy ........................................................................................ 25
2.2.3.2. Cấu tạo bình Ac-quy................................................................................... 25
2.2.3.3. Q trình hóa học của Acquy .................................................................... 27
2.3. Các bước tính tốn hệ thống đèn chiếu sáng ứng dụng điện năng lượng Mặt

Trời ............................................................................................................................ 28


2.3.1. Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện NLMT............................ 28
2.3.1.1. Tính cơng suất phụ tải................................................................................ 28
2.3.1.2. Vị trí và hướng lắp đặt dàn pin NLMT .................................................... 28
2.3.2. Các bước thiết kế hệ thống điện NLMT ...................................................... 29

Kết luận chương 2..................................................................................................... 34
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HỆ THỐNG
ĐÈN CHIẾU SÁNG.................................................................................................. 35

3.1. Khảo sát vị trí và cách bố trí lắp đặt hệ thống đèn chiếu sáng ứng dụng điện

năng lượng Mặt Trời................................................................................................ 35

3.2. Tính toán hệ thống đèn chiếu sáng đường Lê Lợi thành phố Tam Kỳ bằng

năng lượng Mặt Trời................................................................................................ 36

3.3. Tính tốn chi phí lắp đặt và thời gian hồn vốn ............................................ 38

3.4. Mơ hình thực tế hệ thống đèn chiếu sáng tuyến đường Lê Lợi - TP. Tam
Kỳ ứng dụng điện năng lượng mặt trờ................................................................... 39
Kết luận chương 3..................................................................................................... 41
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 48

4.1. Kết luận .............................................................................................................. 42
4.2. Kiến nghị ............................................................................................................ 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 43

DANH MỤC BẢNG


Bảng Tên bảng Trang
Bảng 3.1 Tỉ số chiều cao và khoảng cách giữa hai cột đèn 35
37
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của pin năng lượng 38
Bảng 3.3 Chi phí đầu tư hệ thống năng lượng Mặt Trời 40
Bảng 3.4 Các linh kiện được sử dụng trong mơ hình

DANH MỤC HÌNH

Hình Tên hình Trang
Hình 1.1 Bên ngoài Mặt Trời 4
Hình 1.2 Cấu trúc bên trong Mặt Trời 4
Hình 1.3 Dãi bức xạ điện từ 5
Hình 1.4 Góc nhìn Mặt Trời 6
Hình 1.5 Quá trình bức xạ Mặt Trời qua khí quyển của Trái Đất 6
Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ Mặt Trời trên
Hình 1.6 mặt phẳng nghiêng 7
Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán
Hình 1.7 Các thành phần bức xạ lên mặt phẳng nghiêng 8
Hình 1.8 Bức xạ trực xạ lên bề mặt nằm ngang và nằm nghiêng 9
Hình 1.9 Đầu đo bức xạ 10
Hình 1.10 Trực xạ kế 10
Hình 1.11 Nguyên lý cấu tạo bếp hình hộp 10
Hình 1.12 Cấu tạo bếp Parabol 11
Hình 1.13 Hệ thống cung cấp nước nóng năng lượng Mặt Trời 12
Hình 1.14 Tủ sấy năng lượng Mặt Trời 12
Hình 1.15 Tủ lạng năng lượng Mặt Trời 200W sử dung cho trạm y 13
tế
Hình 1.16 Cấu tạo pin năng lượng Mặt Trời 13

Cấu tạo tế bào quang điện
Hình 2.1 Quá trình hiệu ứng quang điện 17
Hình 2.2 Sơ đồ thay thế modul PV 17
Hình 2.3 Quan hệ I(U) và P(U) của PV 20
Hình 2.4 Mắc nối tiếp các modul năng lượng Mặt Trời 20
Hình 2.5 Mắc song song các modul năng lượng Mặt Trời 21
Hình 2.6 Mắc hỗn hợp các modul năng lượng Mặt Trời 22
Hình 2.7 Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu DC/AC 22
Hình 2.8 23
Hình 2.9 25

Hình 2.10 Cấu tạo bình ac-quy 27

Hình 2.11 Góc nghiêng 𝛽 so với mặt phẳng nằm ngang 29

Hình 2.12 Hướng lắp đặt dàn pin năng lượng Mặt Trời 29

Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng Mặt trời 29

Bảng số liệu cường độ bức xạ mặt trời qua các tháng 39
Hình 2.14 trong năm

Hình 3.1 Cách bố trí cột đèn 35

Hình 3.2 Đèn led cao áp 36

Hình 3.3 Tấm pin năng lượng mặt trời 37

Hình 3.4 Ac-quy viễn thơng 12V, dòng 100ah 38


Hình 3.5 Bộ điều khiển sạc 35

Hình 3.6 Cách bố trí cột đèn 44

Hình 3.7 Mơ hình đèn chiếu sáng ứng dụng điện năng lượng mặt 40
trời

Phần 1. MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Thủy điện xuất hiện cách đây trên 70 năm và trở thành niềm hy vọng của nhân loại trên

nhiều phương diện, đặc biệt là cung cấp nguồn năng lượng tái tạo và tương đối sạch. Việt
Nam với cơng trình thủy điện Hịa Bình hùng vĩ, đã tạo thành hệ thống điện Quốc gia, kéo
dài 4670 km từ Bắc chí Nam, mang điện đến thắp sáng các vùng sâu vùng xa của Tổ
Quốc. Bằng cách sử dụng nguồn nước thay vì các loại nhiên liệu hố thạch (đặc biệt là
than), thuỷ điện giảm bớt ô nhiễm môi trường, giảm bớt các trận mưa axít, giảm axít hố
đất và các hệ thống thủy sinh. Thuỷ điện thải ra rất ít khí hiệu ứng nhà kính so với các
phương án phát điện quy mô lớn khác, do vậy làm giảm sự nóng lên của Trái Đất. Tuy
nhiên, việc xây dựng quá nhiều nhà máy thủy điện để đáp ứng nhu cầu điện năng hiện nay
đã dẫn đến những hệ lụy khơng mong muốn. Hồ thủy điện khi tích trữ nước sẽ khiến vùng
hạ lưu dễ bị nhiễm mặn do xâm thực, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp. Quá trình
dựng đập cũng làm thay đổi dịng chảy tự nhiên của dịng sơng, làm suy giảm nguồn thủy
lợi, khiến nhiều lồi cá nước ngọt có nguy cơ tuyệt chủng(ví dụ điển hình gần đây nhất là
quá trình xâm nhập mặn tại các tỉnh miền tây Nam Bộ ảnh hưởng đến nông nghiệp, nuôi
trồng thủy hải sản và thiếu nguồn nước sinh hoạt cho người dân). Đồng thời, thủy điện là
nguyên nhân gây lũ lụt khi quản lý vận hành sai, xả đập sai quy trình khiến lũ về bất ngờ
ở vùng hạ lưu, đã có nhiều trường hợp ghi nhận lũ về bất ngờ, lũ quét gây thiệt hại lớn về
người và của. Ngồi ra, thủy điện cịn ngăn dịng trầm tích chảy xuống hạ lưu, khiến
nhiều bờ sơng suy yếu và sụt đáy sơng… Mặc dù vẫn cịn những hạn chế như vậy, nhưng

các nhà máy thủy điện vẫn phải xây dựng để tạo năng lượng cung cấp cho các lĩnh vực
công nông nghiệp, đảm bảo hoạt động đời sống và sản xuất diễn ra bình thường. Hơn thế
nữa, nguồn năng lượng tạo ra cũng được dùng để duy trì hoạt động đơ thị ở nước ta, nó
buộc phải bắt kịp với q trình đơ thị hóa hiện nay.

Tốc độ đơ thị hóa nhanh chóng đã kéo theo sự phát triển của cơ sở hạ tầng, hàng loạt
các tuyến đường được xây dựng để phục vụ nhu cầu đi lại, vận tải hàng hóa. Đường đơ thị
ngoài việc phải được đảm bảo thiết kế, quy hoạch hợp lý, lưu thơng thơng suốt thì việc
chiếu sáng cũng là vấn đề luôn được chú trọng. Hệ thống đèn chiếu sáng phải đáp ứng
tính thẩm mỹ, khoa học, giảm tai nạn giao thông, tăng vẻ đẹp đô thị, giảm tệ nạn xã hội;

1

tiết kiệm chi phí lắp đặt cũng như điện năng, góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, thời
tiết cực đoan, bảo vệ mơi trường sống….Để có được một hệ thống chiếu sáng như vậy,
chúng ta không những tập trung vào phần thiết kế mà cịn phải tìm kiếm nguồn năng
lượng sạch thay thế, nguồn năng lượng không tạo ra bất kỳ sự ảnh hưởng nào đến môi
trường khi khai thác sử dụng.

Với vị trí địa lý gần xích đạo, có tổng số giờ nắng và cường độ bức xạ cao, miền Trung
Việt Nam nói chung, Quảng Nam nói riêng được đánh giá là một khu vực có tiềm năng
rất lớn về năng lượng mặt trời số giờ nắng từ 2200 đến 2300 giờ nắng đối với khu vực
đồng bằng ven biển và 1700 đến 1900 đối với khu vực miền núi. Chính vì vậy nên tơi
chọn đề tài “Ứng dụng điện năng lượng mặt trời trong hệ thống đèn chiếu sáng tuyến
đường Lê Lợi – TP.Tam Kỳ” để giảm thiểu tình trạng lệ thuộc vào nguồn năng lượng từ
lưới điện quốc gia và giảm tác động xấu đến môi trường.
2. Mục tiêu đề tài
- Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời.
- Tính tốn chi phí lắp đặt hệ thống.
- Lắp được mơ hình điện năng lượng mặt trời dùng chiếu sáng tuyến đường Lê Lợi – TP.

Tam Kỳ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Pin năng lượng mặt trời.
- Hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Hệ thống đèn chiều sáng tuyến đường Lê Lợi – TP. Tam kỳ.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xây dựng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc lắp mơ hình điện năng lượng mặt trời.
- Lắp mơ hình ứng dụng điện năng lượng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng tuyến đường
Lê Lợi – TP. Tam Kỳ.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lí thuyết: tổng hợp và phân tích lí thuyết dựa trên sách vở, giáo trình, trang
web… để hiểu về năng lượng mặt trời, hiểu được nguyên lý hoạt động của pin năng lượng

2

mặt trời.
- Nghiên cứu thực nghiệm: thực hành lắp ráp mơ hình điện năng lượng mặt trời.
6. Cấu trúc tổng quan của đề tài

Ngoài phần mở đầu bài khóa luận cịn có phần kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục thì
khóa luận gồm có 3 chương:
Chương 1: Năng lượng mặt trời và ứng dụng.
Chương 2: Cấu trúc của lưới điện năng lượng mặt trời.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời cho hệ thống đèn chiếu sáng tuyến
đường Lê Lợi – TP Tam Kỳ.

3


Phần II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Năng lượng mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km lớn hơn gấp 110 lần
đường kính của trái đất, nó cách xa trái đất 150.106 km. Khối lượng mặt trời khoảng M0 =
2.1030 Kg. Nhiệt độ T0 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 mà 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 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 của Mặt Trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản
ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt Trời.

Hình 1.1. Bên ngồi Mặt Trời

Trong q trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt Trời bị mất đi.
Do đó khối lượng Mặt Trời mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn. Mỗi ngày Mặt Trời sản xuất
một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024 kWh (tức là chưa đầy một
giây Mặt Trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng
sản xuất trong một năm trên Trái Đất).

Hình 1.2. Cấu trúc bên trong mặt trời.

4

1.2. 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%. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có
bản chất sóng và chúng có bước sóng khác nhau. Bức xạ 𝛾 là bức xạ có bước sóng ngắn

nhất trong các bức xạ (Hình 1.3), từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm và 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. Đặc trưng của bức xạ mặt
trời truyền trong khơng gian bên ngồi 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 quang
phổ.

Hình 1.3. Dải bức xạ điện từ
Hình 1.3. Dải bức xạ điện từ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực xạ và

tán xạ ọi là tổng xạ. Mật độ dịng bức xạ trực xạ ở ngồi lớp khí quyển, tính đối với 1m2

bề mặt đặt vng góc với tia bức xạ, được tính theo cơng thức:

T4 (1.1)
q = φD_TC0 (100)

Ở đây: 𝜑𝐷_𝑇 gọi là hệ số góc bức xạ giữa Trái Đất và Mặt Trời

β2 (1.2)
φD_T = 4

𝛽: góc nhìn mặt trời và 𝛽 ≈ 32′ như hình 1.4

𝐶0 = 5,67 𝑚2 𝑊 . 𝐾4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T ≈ 5762 𝐾: Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời (xem giống như vật đen tuyệt đối)


5

Mặt Trời Trái Đất

D = 1390000 km

𝛽 = 32′

D’ = 12700 km

149500000 km ± 1,7%
Hình 1.4. Góc nhìn Mặt Trời

Vậy ta có

(2.3,14.32 2 360.60 ) 5762 4 W (1.3)
q = 4 . 5,67. ( 100 ) ≈ 1353 m2

Các bức xạ có 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 khơng khí nhưng khơng 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. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt Trái
Đất trong những ngày quang đãng (khơng có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng
1000W/m2 (Hình 1.5). Yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ Mặt Trời ở một thời 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 và vị
trí địa lý.

Hình 1.5. Qúa trình bức xạ Mặt Trời qua khí quyển của Trái Đất


6

1.3. Tính tốn bức xạ năng lượng mặt trời

Cường độ bức xạ Mặt Trời lên trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố đó là: góc

nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại một 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) quang trọng nhất 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.

Quan hệ giữa bức xạ Mặt Trời ngồi khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định

theo phương trình sau:

360n W (1.4)
Eng = E0 (1 + cos 365 ) m2

Trong đó : 𝐸𝑛𝑔 là bức xạ ngồi khí quyển được đo trên mặt phẳng vng góc với tia

bức xạ vào ngày thứ n trong năm.

1.3.1. Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ


Ta có phương trình góc tới như sau:

𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑠𝑖𝑛𝛿. 𝑠𝑖𝑛𝜙. 𝑐𝑜𝑠𝛽 − 𝑠𝑖𝑛𝛿. 𝑐𝑜𝑠𝜙. 𝑠𝑖𝑛𝛽𝑐𝑜𝑠𝛾 + 𝑐𝑜𝑠𝛿. 𝑐𝑜𝑠𝜙. 𝑐𝑜𝑠𝛽. cos +
(1.5)

𝑐𝑜𝑠𝛿. 𝑠𝑖𝑛𝜙. 𝑠𝑖𝑛𝛽. 𝑐𝑜𝑠𝛾. 𝑐𝑜𝑠𝜔 + 𝑐𝑜𝑠𝛿. 𝑠𝑖𝑛𝛽. 𝑠𝑖𝑛𝛾. 𝑠𝑖𝑛𝜔

Hình 1.6. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ Mặt Trời trên mặt phẳng nghiêng.

1.3.2. Bức xạ mặt trời ngồi khí quyển lên bề mặt nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ Mặt Trời đến một bề mặt nằm ngang ngồi khí quyển

được xác định theo phương trình:
360. n

Eng = E0 (1 + 0,033. cos 365 ) cosθz (1.9)
Thay giá trị 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑧 vào phương trình trên ta có 𝐸𝑛𝑔 tại thời điểm bất kỳ từ lúc Mặt Trời
mọc đến lúc Mặt Trời lặn:

7

360n (1.10)
Eng = E0 (1 + 0,033. cos 365 ) cosϕ. cosδ. cosω + sinϕ. sinδ

Tích phân phương trình này theo thời gian từ khi Mặt Trời mọc đến khi Mặt Trời lặn

(6h đến 18h mặt trời), ta sẽ có được 𝐸𝑛𝑔là năng lượng bức xạ Mặt Trời trên mặt phẳng

nằm ngang trong một ngày:


Engày = 243600E0 (1 + 0,033. cos 360n) (cosϕ. cosδ. cosω + sinϕ. sinδ) (1.11)
π 365 (1.12)

Với 𝜔𝑧 là góc giờ Mặt Trời lặn ( nghĩa là góc giờ 𝜔 khi 𝜃𝑧 = 900)

sinϕ. sinδ
cosωz = − cosϕ. cosδ = −tgϕ. tgδ

Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình bằng tháng 𝐸𝑡ℎbằng cacgs

thay các giá trị n và 𝛿 trong các công thức lấy trên lấy giá trị ngày trung bình của tháng và

độ lệch 𝛿 tương ứng.

Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể xác định:

Egiờ = 112 × 3600E0 (1 + 0,033. cos 360n) (cosϕ. cosδ. (sinω1 − sinω2)
π 365

+ π(ω1 − ω2) sinϕ. sinδ) (1.13)
180

1.3.3. Cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất

Cường độ bức xạ Mặt Trời lên một bề mặt đất bao gồm hai thành phần chính đó là trực

xạ và tán xạ. Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, còn thành phần tán xạ thì phức tạp

hơn. Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ mây và độ trong


suốt của khí quyển, các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều. Có thể xem bức xạ tán xạ là

tổng hợp của 3 thành phần: tán xạ đẳng hướng, tán xạ quanh tia, tán xạ chân trời (Hình

1.7).

Hình 1.7. Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán.

Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc vào độ phản xạ Rg của mặt đất. Những
bề mặt có độ phản xạ cao sẽ phản xạ mạnh bức xạ Mặt Trời trở lại bầu trời và lần lượt bị

8

phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời. Như vậy, bức xạ Mặt Trời truyền đến một

bề mặt nghiêng là tổng các dòng bức xạ bao gồm: trực xạ 𝐸𝑏, 3 thành phần tán xạ

𝐸𝑑1,𝐸𝑑2,𝐸𝑑3 và bức xạ phản xạ từ bề mặt khác lân cận 𝐸𝑟:

E∑ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er (1.14)

Tuy nhiên việc tính tốn các đại lượng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy người ta giả thiết

là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng hướng, nghĩa

là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất là như nhau trong

mọi trường hợp không phụ thuộc vào hướng của bề mặt. Khi đó một bề mặt nghiêng tạo


một góc 𝛽 so với phương nằm ngang sẽ có tổng xạ bằng tổng 3 thành phần:

1 + cosβ 1 − cosβ
Eβ∑ = EbBb + Ed ( 2 ) + E∑Rg ( 2 ) (1.15)

Trong đó: 𝐸∑ là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang.

1+cosβ 2 = FCS là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời.
1−cosβ 2 = Fcg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất.
Rglà hệ số phản bức xạ của môi trường xung quanh.

β

Hình 1.8. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng.

Và từ đó ta có tỉ số bức xạ Bb của bề mặt nghiêng góc 𝛽 so với bề mặt nằm ngang:

Bb = En = Encosθ = cosθ (1.16)
Ebng Encosθz cosθz

Trong tính tốn kỹ thuật ta có thể coi cường độ bức xạ mặt đất là hàm của thời gian 𝜏,

tính từ lúc mặt trời mọc, 𝜏 = 0 đến khi mặt trời lặn 𝜏 = 𝜏𝑛/2 với 𝜏𝑛 = 24ℎ = 24.3600𝑠

như sau:

E(τ) = Ensinφ(τ) (1.17)
φ(τ) = ωτ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất

9


ω = 2π = 2π = 7,72. 10−5 rad/s là tốc độ góc tự xoay của trái đất.

τn 24.3600

𝐸𝑛 (W/m2) là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy giá trị trung bình cả năm theo số
liệu đo lường thực tế tại vĩ độ ta đang xét.

θ
θ

β

Hình 1.9. Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nằm nghiêng
Ngoài phương pháp xác định cường độ bức xạ Mặt Trời tại một điểm bất kỳ dựa trên vị
trí địa lý như trên thì trong thực tế người ta đã chế tao các dụng cu đo cường độ bức xạ
Mặt Trời trực tiếp tại địa điểm cần đo. Thiết bị đo bức xạ thường có 2 loại: đó là đo trực
xạ như pyrhelimeter, actinometer và đo tổng xạ như pyranometer, solarimeter. Ngày nay,
với kỹ thuật tinh vi xử lý người có thể dùng các đầu đo bức xạ để đo tự động cường độ
bức xạ Mặt Trời ở nơi nào đó trong một khoảng thời gian nào đó và kết quả đo được lưu
trên máy tính.

Hình 1.10. Đầu đo bức xạ Hình 1.11. Đầu đo bức xạ
1.4. Các ứng dụng năng lượng mặt trời

1.4.1. Hệ thống bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

Sử dụng năng lượng Mặt Trời để nấu thức ăn đã được con người sử dụng rất lâu. Các

công nghệ làm bếp dùng năng lượng mặt trời đã có những thay đổi và phát triển. Hiện nay


bếp được sử dụng phổ biến dưới 2 loại bếp là bếp hình hộp và bếp Parabon. Bếp năng

lượng Mặt Trời được sử dụng rộng rãi ở các nước nhiều năng lượng Mặt Trời, khan hiếm

10