Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:126

Thêm vào BST

Báo xấu

114
lượt xem 36
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn “Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt” được đặt ra với mục đích tìm hiểu những điều kiện cơ bản để triển khai, lắp đặt thiết bị nước nóng mặt trời, tính toán hiệu quả về mặt tiết kiệm điện năng, kinh tế và môi trường của việc sử dụng thiết bị nước nóng mặt trời dựa trên cơ sở khoa học và thực nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường MỤC LỤC Danh mục các từ viết tắt...........................................................................................5 Danh mục bảng...........................................................................................................6 Danh mục hình............................................................................................................8 ....................................................................................................................................... 9 MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.......................................................................14 1.1. NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..............................................................14 1.2. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................................27 1.3. CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG.................43 1.4. TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA VIỆT NAM ..................................................................................................................................... 69 1.5. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................................................................................................................... 78 1.6. TÍNH KINH TẾ VÀ TRIỂN VỌNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...................80 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................................................................................... 85 2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.....................................................85 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU................................................................................87 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................88 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................93 3.1. TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI ................................93 3.2. HIỆN TRẠNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI...........................................................................................95 3.3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...............................................................................................................108 3.4. MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...........................................................120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................125 KẾT LUẬN...............................................................................................................125 KIẾN NGHỊ:.............................................................................................................. 125 HV: Nguyễn Đình Đáp 3 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Tài liệu tham khảo.................................................................................................127 HV: Nguyễn Đình Đáp 4 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Danh mục các từ viết tắt BVMT Bảo vệ môi trường BXMT Bức xạ mặt trời CN NLMT Công nghệ năng lượng mặt trời CTMTQG Chương trình Mục tiêu Quốc gia ĐMT Điện mặt trời ĐNNMT Đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời NL Năng lượng NLMT Năng lượng mặt trời PV Hiệu ứng quang điện (Photovaltaic) TBNNMT Thiết bị nước nóng mặt trời TTNLM Trung tâm Năng lượng mới Wp Công suất nhiệt tiêu chuẩn (Watt peak) Wth Công suất nhiệt (Watt thermal) HV: Nguyễn Đình Đáp 5 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Danh mục bảng Bảng 1.1. Các giá trị δ , n tương ứng theo ngày.....................................................17 Bảng 1.2. Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng............................................18 Bảng 1.3. Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn (công suất trên 1MWp).............................................................................................31 Bảng 1.4. Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đã lắp đặt tại một số nước.....................................................................................33 Bang 1.5. Cac nha may điên m ̉ ́ ̀ ́ ̣ ặt trời PV lơn nhât thê gi ́ ́ ́ ới (trên 50MW)...........35 Bảng 1.6. Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới.........................36 Bang 1.7. Cac nha may CSP đang hoat đông ̉ ́ ̀ ́ ̣ ̣ ...........................................................41 Bảng 1.8. Kết quả kiểm tra thành phần nước trước và sau khi chưng cất ....49 Bảng 1.9. Một số thông số về nhiệt độ của bếp trong quá trình sử dụng.......52 Bảng 1.10. Tính chất của một số vật liệu dùng làm tấm phủ trong suốt........56 Bang 1.11. Năng l ̉ ượng mặt trời trên cac vung lanh thô Viêt Nam ́ ̀ ̃ ̉ ̣ .....................70 Bảng 1.12. Số liệu về bức xạ mặt trời trung bình tại một số địa phương ....71 Bảng 1.13. Lộ trình phát triến nước nóng mặt trời............................................77 Bảng 2.1. Lắp đặt các hệ thí nghiệm sử dụng thiết bị ĐNNMT.......................85 Bang 3.1. L ̉ ượng tổng xạ cả ngày trung bình Qtb (đơn vị: kWh/m2.ngày).......94 Bang 3.2. L ̉ ượng tán xạ cả ngày trung bình Dtb (đơn vị: kWh/m2.ngày)..........94 Bang 3.3. L ̉ ượng trực xạ cả ngày trung bình Itb (đơn vị: kWh/m2.ngày).........94 Bang 3.4. Sô gi ̉ ́ ờ nắng cả ngày trung bình (lý thuyết) N (đơn vị: giờ/ngày)......95 Bảng 3.5. Số thiết bị nước nóng mặt trời.............................................................98 Bản 3.6. Tỷ lệ tham gia của các quận/huyện.....................................................102 Bảng 3.7. Số thiết bị, tổng dung tích bình chứa và tỷ lệ tăng trưởng hàng năm ................................................................................................................................... 106 HV: Nguyễn Đình Đáp 6 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Bảng 3.8. Nhiệt độ trung bình nước vào và ra, lượng nước nóng sử dụng trung bình hàng ngày và lượng năng lượng tiết kiệm của các hộ thí nghiệm ................................................................................................................................... 108 Bảng 3.9. Múc phí đối với các khí thải gây ô nhiễm môi trường.....................118 Bảng 3.10. Tổng hợp kết quả tiết kiệm điện và lợi ích môi trường của thiết bị ĐNNMT...............................................................................................................119 HV: Nguyễn Đình Đáp 7 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Danh mục hình Hình 1.1. Quang phổ của bức xạ mặt trời............................................................20 Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính......44 Hình 1.3. Thiết bị sấy nông sản năng lượng mặt trời.........................................46 Hình 1.4. Thiết bị đun nước nóng dạng dãy ống và dạng tấm phổ biến trên thị trường........................................................................................................................ 48 Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chưng cất nước......................................49 Hình 1.6. Hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển lắp tại Bình Đại, Bến Tre (gồm 3 modul, mỗi modul có diện tích đón nắng 4m2).................................51 Hình 1.7. Sơ đồ bếp mặt trời..................................................................................51 Hình 1.8. Cấu tạo của một collecctor.....................................................................55 Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo bề mặt hấp thụ..............................................................57 Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo của bình nước nóng dạng ống chân không...............57 Hình 1.11. Sơ đồ vòng đối lưu tự nhiên của nước trong bộ thu NLMT............58 Hình 1.12. Vòng đối lưu tự nhiên trong bộ thu tấm ống...................................59 Hình 1.13. Hệ thống bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu cưỡng bức.......60 Hình 1.14. Bộ thu hộp kim loại vừa hấp thụ NLMT vừa là bình chứa (thiết kế của Trung tâm Năng lượng mới, ĐHBKHN)........................................61 Hình 1.15. Bộ thu kiểu tấm ống (Hệ ĐNNMT 200 lít dùng cho gia đình).......62 Hình 1.16. Các bộ thu kiểu cánh ống ..................................................................63 Hình 1.17. Nguyên lý hoạt động bộ thu kiểu ống thuỷ tinh chân không...........64 Hình 1.18. Bộ thu loại ống nhiệt (ảnh trái) và các ống nhiệt (hình phải).........66 Hình 1.19. Cấu tạo tiết diện ngang ống nhiệt (bên trái) và ống nhiệt (bên phải)........................................................................................................................... 66 Hình 1.20. Cấu tạo ống nhiệt thuỷ tinh chân không với ống kim loại chữ U . 67 Hình 1.21. Sơ đồ hệ thống bộ thu ĐNNMT cho nhiệt độ thấp lắp cố định trên mái nhà....................................................................................................................... 68 Hình 1.22. Các bộ thu hội tụ máng và gương parabol.........................................69 HV: Nguyễn Đình Đáp 8 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Hình 1.23. Sự biến đổi của cường độ bức xạ mặt trời theo thời gian trong ngày ............................................................................................................................ 73 Hình 2.1. Thiết bị ĐNNMT được lắp đặt tại hiện trường ................................87 Hình 2.2. Cấu tạo bên ngoài và các cổng tín hiệu của bộ thu thập số liệu tự động............................................................................................................................ 89 Hình 2.3. Cấu tạo bên trong, bo mạch chính và nguồn nuôi của bộ thu thập số liệu tự động.........................................................................................................89 Hình 2.4. Hệ đo và thu thập số liệu sau khi lắp đặt............................................90 Hình 2.5. Giao diện kết nối với máy vi tính của SWH Data logger ...................91 Hình 2.6. Kết quả đo được lưu lại dưới dạng file excel......................................91 Hình 3.1. Biểu đồ tỷ lệ tham gia lắp đặt và sử dụng thiết bị ĐNNMT của các quận/huyện.............................................................................................................106 Hình 3.2. Biểu đồ tăng trưởng hàng năm của thiết bị ĐNNMT (từ 2008 2010) ................................................................................................................................... 107 Hình 3.3. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) nhà Cô Yến..........110 Hình 3.4. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) nhà Ông Thịnh.....111 Hình 3.5. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) nhà Ông Hội........111 Hình 3.6. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) Nhà Ông Lam......112 Hình 3.7. Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) Trung tâm Năng lượng mới................................................................................................................113 Hình 3.8. EVN triển khai chương trình quảng bá sử dụng bình nước nóng năng lượng mặt trời...............................................................................................124 HV: Nguyễn Đình Đáp 9 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường MỞ ĐẦU Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm. Sử dụng NLMT hiện đang được cho là giải pháp tối ưu nhất trong khi các nguồn nguyên nhiên liệu hóa thạch đang dầu bị cạn kiệt. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao. Bước vào thế kỷ 21, công nghệ sử dụng NLMT đang có xu hướng phát triển mạnh. Hiện nay, nhiều nước đã đầu tư rất lớn vào ngành công nghiệp NLMT, Nhật Bản và Đức là hai quốc gia đứng đầu thế giới về ngành công nghiệp này. Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng. Các hệ thống đun nước nóng bằng NLMT đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Đến nay, Trung Quốc đã lắp đặt nhiều hệ thống ĐNNMT, tương đương với 10,5GWth và đang là quốc gia dẫn đầu thế giới, chiến 60% tổng công suất lắp đặt của toàn thế giới. Các chương trình thúc đẩy sử dụng NLMT đang được mở rộng trên thế giới. Tây Ban Nha đã ban hành Luật Xây dựng có hiệu lực từ năm 2006, bắt buộc các tòa nhà mới xây phải lắp đặt trên mái nhà hệ thống pin mặt trời, hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (ĐNNMT), đặc biệt các Trung tâm thương mại, cao ốc văn phòng, khác sạn, bệnh viện, kho vận, trong đó quy định nước nóng từ NLMT phải đáp ứng được từ 30 70% nhu cầu tùy thuộc vào vùng khí hậu cụ thể. Ở Cape Town (Nam Phi), Rome (Italia) đòi hỏi các tòa nhà xây dựng mới phải lắp đặt hệ thống ĐNNMT nhằm đảm bảo 30 50% nhu cầu sử dụng hàng ngày… Việt Nam đã xây dựng trên 100 trạm quan trắc để theo dõi các dữ liệu về NLMT trên khắp lãnh thổ Việt Nam. Những số liệu quan trắc của các trạm cho HV: Nguyễn Đình Đáp 10 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường thấy, năng lượng bức xạ trung bình trên cả nước mỗi ngày từ 4 6kWh/m 2. Tiềm năng sử dụng NLMT ở hầu khắp mọi vùng trong cả nước. Đối với mỗi hộ gia đình riêng việc đun nước nóng cho sinh hoạt bình quân sinh ra khoảng 30% tổng lượng khí thải CO 2 của cả hộ gia đình tạo ra. Thông qua lắp đặt thiết bị ĐNNMT, thiết bị có khả năng cung cấp khoảng 80% nhu cầu năng lượng cần thiết của chúng ta để đun nước nóng. Theo ước tính, cả nước hiện có khoảng 2,5 triệu bình đun nước nóng bằng điện có công suất trong khoảng 2 5kW, hàng năm tiêu tốn khoảng 3,6 tỷ kWh điện năng và sẽ tăng nhanh theo tốc độ xây dựng nhà ở, dịch vụ và du lịch. Đây là một con số rất lớn cho thấy một thị trường đầy tiềm năng đối với thiết bị bình ĐNNMT. Việt Nam có nhiều lợi thế phát triển hệ thống sử dụng NLMT. Trong đó, hiệu quả nhất là sử dụng NLMT vào đun nước nóng, đặc biệt ở khu vực thành thị, nơi người dân có đời sống cao và có điều kiện sử dụng dịch vụ. Cho đến nay mặc dù khẳng định rằng sử dụng NLMT thay cho việc sử dụng điện để đun nước nóng (chủ yếu cho sinh hoạt gia đình) là tiết kiệm điện năng và do đó đem lại các lợi ích về kinh tế và môi trường, tuy nhiên vẫn chưa có một công trình thực nghiệm nào (ít nhất là ở Việt Nam) đo đạc, đánh giá hiệu quả thực tế của các lợi ích đó. Các số liệu về tiết kiệm năng lượng, kinh tế của thiết bị ĐNNMT đã cho trên các tài liệu, tạp chí, trên các phương tiện truyền thông… đều chỉ là các con số ước tính “lý thuyết”, độ tin cậy không cao. Việc phát triển hệ thống ĐNNMT đang gặp một số thách thức khó khăn như: chưa có chiến lược, chính sách về tiết kiệm năng lượng; sự hỗ trợ của Nhà nước về đầu tư nghiên cứu và phát triển cũng như đầu tư về kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho sản xuất, ứng dụng thiết bị ĐNNMT còn hạn chế; những điều kiện triển khai sử dụng thiết bị cho từng khu vực cụ thể; sự không đồng bộ giữa thiết kế bình ĐNNMT và các công trình xây dựng; giá thành của thiết bị ĐNNMT còn cao hơn so HV: Nguyễn Đình Đáp 11 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường với sử dụng thiết bị truyền thống; cách lắp đặt, vận hành thiết bị chưa được phổ biến rộng rãi đến người tiêu dùng… Do vậy, cần có những nghiên cứu chi tiết, cụ thể về hiện trạng sử dụng, những điều kiện áp dụng, triển khai, phát triển sử dụng các thiết bị ĐNNMT. Tính toán, đánh giá, phân tích hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và môi trường làm cơ sở cho việc phát triển thị trường và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị ĐNNMT. Xuất phát từ những thực tiễn nêu trên, với sự hỗ trợ của Văn phòng tiết kiệm năng lượng (Bộ Công Thương) và Trung tâm nghiên cứu năng lượng mới (Đại học Bách khoa Hà Nội), trong khuôn khổ một luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường, tác giả tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt” được đặt ra với mục đích tìm hiểu những điều kiện cơ bản để triển khai, lắp đặt thiết bị nước nóng mặt trời, tính toán hiệu quả về mặt tiết kiệm điện năng, kinh tế và môi trường của việc sử dụng thiết bị nước nóng mặt trời dựa trên cơ sở khoa học và thực nghiệm. Từ đó, kiến nghị các giải pháp phát triển sử dụng các thiết bị đun nước nóng mặt trời ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung. Các nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu những đặc điểm kỹ thuật của thiết bị ĐNNMT, những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị Nghiên cứu, đánh giá các tiềm năng, đặc thù của Hà Nội trong sử dụng thiết bị ĐNNMT Điều tra, đánh giá hiện trạng sử dụng thiết bị ĐNNMT tại Hà Nội. Tiến hành thực nghiệm lắp đặt 05 hệ thống ĐNNMT có các bộ đo ghi tự động; đo đạc, thu thập, xử lý số liệu và đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng, hiệu quả kinh tế và môi trường của của các hệ thống. HV: Nguyễn Đình Đáp 12 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Đề xuất một số giải pháp phát triển sử dụng thiết bị ĐNNMT phục vụ sinh hoạt. Việc thực hiện đề tài nhằm giải đáp các câu hỏi nêu trên với những phân tích đầy đủ bài toán kinh tế môi trường của việc sử dụng thiết bị ĐNNMT cho người dân thành phố Hà Nội. Hiện nay, các giải pháp công nghệ thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng đang được quan tâm, đầu tư nghiên cứu. Trong đó, sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp cứu cánh cho thách thức khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu toàn cầu, là một mũi tên nhằm tới hai mục tiêu của sự phát triển bền vững. Sử dụng năng lượng tái tạo là xu hướng được chọn lựa chọn để phát triển nguồn năng lượng mới cho thế kỷ 21. HV: Nguyễn Đình Đáp 13 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1.1. Bức xạ mặt trời Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,36 triệu km và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km. Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6.000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K. Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục. Do luôn luôn bức xạ năng lượng vào trong vũ trụ nên khối lượng của mặt trời sẽ giảm dần. Điều này dẫn đến kết quả là đến một ngày nào đó mặt trời sẽ thôi không tồn tại nữa. Tuy nhiên, do khối lượng của mặt trời vô cùng lớn, vào khoảng 1,991.1030kg, nên thời gian để mặt trời còn tồn tại cũng vô cùng lớn. Bên cạnh sự biến đổi nhiệt độ rất đáng kể theo hướng kính, một điểm đặc biệt khác của mặt trời là sự phân bố khối lượng rất không đồng đều. Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm mặt trời vào khoảng 100g/cm3, trong khi đó khối lượng riêng trung bình của mặt trời chỉ vào khoảng 1,41g/cm3 [1]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất không hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung bình đã trình bày ở trên. Trong kỹ thuật NLMT, người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt trời (Solar Constant). Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời được hiểu là lượng bức xạ mặt trời (BXMT) nhận được trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển và thẳng góc với tia tới. Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều. Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2[1]. HV: Nguyễn Đình Đáp 14 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến trên mặt đất. Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu được dùng để biểu diễn giá trị của lượng bức xạ khảo sát là G, I và H. Đơn vị của G là W/m2, đơn vị của I và H là J/m2, trong đó thời gian tương ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ và ngày. Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hiểu là khoảng thời gian từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn. 1.1.1.1. Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển Nói chung, BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển (Extra Terrestrial Solar Radiation) có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát cụ thể và có phương rất rõ ràng, đó là đường nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát. Các khảo sát thực tế cho thấy về mặt giá trị BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển cũng có những biến đổi nhẹ. Có 2 lý do gây ra sự biến đổi này: sự biến đổi lượng bức xạ xuất phát từ mặt trời do các hiện tượng diễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biến đổi của khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất. Các nghiên cứu cho thấy, lý do thứ nhất chỉ gây ảnh hưởng tối đa không quá ±1,5% , còn lý do thứ hai có thể gây ảnh hưởng đến ±3%. Tuy vậy, do nhiều nguyên nhân khác nhau, đặc biệt là do sự khó khăn và phức tạp của hiện tượng, các kết quả nghiên cứu về mức độ gây ảnh hưởng của lý do thứ nhất không hoàn toàn giống nhau. Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cường độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn định và BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển là BXMT đến trên mặt đất nhưng không tính đến ảnh hưởng của bầu khí quyển. Gọi Gon là lượng BXMT đến một mặt phẳng có diện tích 1m2 đặt thẳng góc với tia bức xạ và ở bên ngoài bầu khí quyển, ta có: Gon = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)] (1) trong đó: GSC hằng số mặt trời, W/m2 n số thứ tự của ngày trong năm (quy ước lấy giá trị n của ngày 1 tháng1 là 1). HV: Nguyễn Đình Đáp 15 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Nếu bề mặt khảo sát nằm ngang, giá trị G0 biểu diễn lượng BXMT đến mặt phẳng có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển có giá trị là: Go = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].CosθZ (2) Trong đó, θ là góc tới của tia trực xạ (là góc hợp bởi tia trực xạ và pháp tuyến của bề mặt khảo sát); θz là góc tới đối với các bề mặt ngang Gọi Ho (J/m2) là lượng BXMT đến mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày, ta viết được: Ho = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)]. (Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dt Trong đó δ: Góc lệnh của mặt trời (góc tạo bởi tia trực xạ và mặt phẳng xích đạo của Trái đất; φ: Góc phương vị của bề mặt khảo sát (là góc tạo bởi hình chiếu lên mặt phẳng nằm ngang của pháp tuyến của bề mặt khảo sát và phương nam) ω: Góc giờ của mặt trời (là góc tạo bởi tia trực xạ và đường nối khải sát với vị trí cao nhất của mặt trời trong ngày) Khi đặt dt = a.dω, ta có: Ho = a.GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)]. (Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dω Trong các biểu thức trên, t có đơn vị là giây, ω có đơn vị là độ và biến đổi trong khoảng từ ωS cho đến +ωS (trong đó ω mang dấu âm nếu trước giờ trưa và mang dấu dương nếu sau giờ trưa), tức là từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn. Sau khi lấy tích phân, thu được: Ho = 2a.A.B (3) trong đó: a = 3600.(180/15/ ), với a là góc cao của mặt trời A = GSC.[1 + 0,033.Cos(360.n/365)] HV: Nguyễn Đình Đáp 16 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường B = Sinδ.Sinφ.ωS.( /180) + Cosδ.Cosφ.SinωS Bên cạnh giá trị Ho, trong các tính toán về BXMT người ta cũng rất quan tâm đến giá trị Hom (trong đó Hom là lượng BXMT đến trên mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày nhưng là ngày điển hình của tháng khảo sát). Theo định nghĩa, ngày điển hình của một tháng nào đó là ngày mà Ho có giá trị gần nhất so với giá trị bức xạ trung bình của tháng đó. Bảng 1.1 dưới đây trình bày cụ thể ngày điển hình của mỗi tháng (do Klein đề nghị) và các giá trị δ, n tương ứng. Bảng 1.1. Các giá trị δ , n tương ứng theo ngày Tháng Ngày điển hình δ , độ N 1 17 20,9 17 2 16 13 47 3 16 2,4 75 4 15 9,4 105 5 15 18,8 135 6 11 23,1 162 7 17 21,2 198 8 16 13,5 228 9 15 2,2 258 10 15 9,6 288 11 14 18,9 318 12 10 23 344 Nguồn: [1] HV: Nguyễn Đình Đáp 17 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Tương tự như cách tính H0, có thể sử dụng các công thức đã trình bày ở trên để xác định lượng BXMT đến một mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m 2 đặt bên ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1giờ (ký hiệu là Io). Thay cận dưới và cận trên của dấu tích phân bằng ω1 và ω2 (thay vì ωS và +ωS) sao cho ω2 ω1 = 1 giờ. Tổng quát hơn, khi cần xác định lượng BXMT trong một khoảng thời gian bất kỳ, có thể thay đổi các cận của dấu tích phân sao cho hiệu số ω2 ω1 đúng bằng khoảng thời gian khảo sát. Các tia BXMT về nguyên tắc có bước sóng gần như là từ 0 cho đến . Tuy nhiên, do cường độ các tia BXMT phân bố rất không đồng đều theo bước sóng và do phần lớn các tia BXMT tập trung trong vùng có bước sóng ngắn, cho nên thực tế chỉ quan tâm đến các tia bức xạ có bước sóng trong khoảng từ 0,24 m đến 50 m. Cường độ của các tia bức xạ có bước sóng 50 m thật sự không đáng kể [1]. Quang phổ của BXMT được trình bày trên hình 1.1; Số liệu về sự phân bố BXMT theo bước sóng được đưa ra trong bảng 1.2, trong đó: Gsc, cường độ bức xạ đơn sắc, W/m2 f0 tỉ số giữa lượng bức xạ ứng với bước sóng trong khoảng từ 0 đến và hằng số mặt trời. Bảng 1.2. Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng λ, µm GSC,λ f0λ λ, µm GSC,λ f0λ λ, µm GSC,λ f0λ 0,24 63,0 0,0014 0,47 2033 0,1817 1,0 748 0,6949 0,25 70,9 0,0019 0,48 2074 0,1968 1,2 485 0,7840 0,26 130 0,0027 0,49 1950 0,2115 1,4 337 0,8433 0,27 232 0,0041 0,50 1942 0,2260 1,6 245 0,8861 HV: Nguyễn Đình Đáp 18 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường 0,28 222 0,0056 0,51 1882 0,2401 1,8 159 0,9159 0,29 482 0,0081 0,52 1833 0,2538 2,0 103 0,9349 0,30 514 0,0121 0,53 1842 0,2674 2,2 79 0,9483 0,31 689 0,0166 0,54 1783 0,2808 2,4 62 0,9586 0,32 830 0,0222 0,55 1725 0,2938 2,6 48 0,9667 0,33 1059 0,0293 0,56 1695 0,3065 2,8 39 0,9731 0,34 1074 0,0372 0,57 1712 0,3191 3,0 31 0,9783 0,35 1093 0,0452 0,58 1715 0,3318 3,2 22,6 0,9822 0.36 1068 0,0532 0,59 1700 0,3444 3,4 16,6 0,9850 0,37 1181 0,0615 0,60 1666 0,3568 3,6 13,5 0,9872 0,38 1120 0,0700 0,62 1602 0,3810 3,8 11,1 0,9891 0,39 1098 0,0782 0,64 1544 0,4042 4,0 9,5 0,9906 0,40 1429 0,0873 0,66 1486 0,4266 4,5 5,9 0,9934 0,41 1751 0,0992 0,68 1427 0,4481 5,0 3,8 0,9951 0,42 1747 0,1122 0,70 1369 0,4688 6,0 1,8 0,9972 0,43 1639 0,1247 0,72 1314 0,4886 7,0 1,0 0,9982 0,44 1810 0,1373 0,75 1235 0,5169 8,0 0,59 0,9988 0,45 2006 0,1514 0,80 1109 0,5602 10,0 0,24 0,9994 0,46 2066 0,1665 0,90 891 0,6337 50,0 3,9.10 1,0000 4 Nguồn: [1] HV: Nguyễn Đình Đáp 19 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường sắc, Cườ đơn bức độ xạ ng W/ m2 2400 2 2000 1600 1200 800 400 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Bước sóng , m Nguồn: [1] Hình 1.1. Quang phổ của bức xạ mặt trời 1.1.1.2. Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất Khi các tia BXMT đi vào bầu khí quyển, do ảnh hưởng của bầu khí quyển và các vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia BXMT sẽ phải chịu hiện tượng hấp thụ và phản xạ. Về cơ bản, hiện tượng hấp thụ các tia BXMT là do ôzôn và hơi nước, mức độ hấp thụ khác nhau tùy theo bước sóng. Ứng với các tia cực tím có bước sóng nhỏ hơn 0,29 m thì khả năng hấp thụ các tia bức xạ của ôzôn rất mạnh, ứng với các tia có bước sóng lớn hơn 0,29 m thì khả năng hấp thụ của ôzôn giảm xuống đáng kể, khi bước sóng vượt quá 0,35 m thì ôzôn không còn khả năng hấp thụ các tia bức xạ được nữa (tuy nhiên, ở vùng lân cận bước sóng 0,6 m thì ôzôn vẫn còn khả năng hấp thụ một ít). Trong khi đó, hơi nước có khả năng hấp thụ mạnh các tia hồng ngoại. Đặc biệt, ở trong vùng lân cận các bước sóng 1 m, 1,4 m và 1,8 m thì khả năng hấp thụ các tia hồng ngoại của hơi nước rất mạnh. Chính hiện tượng hấp thụ làm giảm cường độ của các tia bức xạ và làm cho quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại, có thể nói các tia bức xạ có bước HV: Nguyễn Đình Đáp 20 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường sóng lớn hơn 2,3 m rất khó đến được bề mặt Trái đất (trong vùng này, các tia hồng ngoại không chỉ bị hấp thụ bởi hơi nước mà còn bởi khí CO2) . Cùng với hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phản xạ làm một bộ phận của tia bức xạ bị đổi phương, do đó phương của thành phần bị phản xạ không rõ ràng. Kết quả của các hiện tượng vừa nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cường độ của các tia bức xạ tổng càng giảm. Một cách tổng quát, người ta xem lượng bức xạ tổng đi vào bầu khí quyển (Terrestrial Solar Radiation hay Total Solar Radiation) để đến một bề mặt khảo sát nào đó trên mặt đất bao gồm hai thành phần là trực xạ (Beam Radiation) và khuếch tán (Diffuse Radiation). Thành phần trực xạ có phương rõ ràng, đó là đường thẳng nối từ mặt trời đến địa điểm khảo sát. Trong khi đó, đối với thành phần khuếch tán, việc xác định phương hướng và cường độ của thành phần khuếch tán là khá phức tạp. Các khảo sát cho thấy, vào những ngày bầu trời trong sáng, do sự hấp thụ bởi các phân tử ôxy và ôzôn có trong bầu khí quyển ở tầm cao, bước sóng nhỏ nhất của các tia bức xạ đến bề mặt Trái đất chỉ vào khoảng 0,29 m. Sự suy giảm cường độ các tia bức xạ mặt trời đến bề mặt Trái đất trong trường hợp này là do ba nguyên nhân sau đây: Sự hấp thụ có tính chọn lọc theo bước sóng bởi hơi nước, các phân tử ôxy, ôzôn và CO2. Sự phân tán Rayleigh bởi các phân tử của các loại chất khí và các hạt bụi lơ lửng có trong bầu khí quyển (kích thước của các thành phần này rất nhỏ so với bước sóng của các tia bức xạ), kết quả của sự phân tán này là có khoảng phân nửa các tia bức xạ bị phân tán quay trở lại không gian, khoảng phân nửa còn lại đến bề mặt đất theo rất nhiều phương khác nhau. HV: Nguyễn Đình Đáp 21 K16 Khoa học môi trường
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Sự phân tán Mie (trong trường hợp này kích thước của các thành phần làm phân tán các tia bức xạ lớn hơn bước sóng của tia bức xạ) làm một phần các tia bức xạ bị đổi hướng và một phần khác bị chính các thành phần này hấp thụ. Vào những ngày có mây mù, cường độ của các tia trực xạ bị giảm đi đáng kể. Các quan sát thực tế cho thấy, một bộ phận các tia bức xạ sẽ bị phản xạ ngược vào không gian do các đám mây mù, một bộ phận khác bị các đám mây mù hấp thụ và bộ phận còn lại sẽ đi đến mặt đất với tính chất của các tia khuếch tán. Ta gọi tỉ lệ giữa tổng các tia bức xạ bị phản xạ ngược trở lại không gian do nhiều nguyên nhân khác nhau (do mây mù, do mặt đất, do bụi và các chất khí có trong bầu khí quyển) và tổng các tia bức xạ đến toàn bộ Trái đất là Albedo của hệ thống khí quyển mặt đất, giá trị của Albedo vào khoảng 30%. Để đơn giản hóa việc xác định các đại lượng đặc trưng của thành phần khuếch tán, Hottel và Woertz giả sử thành phần khuếch tán phân bố đồng đều trong khắp bầu trời. Giả thiết này hầu như chỉ phù hợp trong trường hợp bầu trời có sương mù, hoặc bị che phủ bởi mây phân bố đều trong bầu trời. Vào những ngày trời trong (Clear Sky), hầu hết những tia bức xạ khuếch tán có phương gần giống với phương của tia trực xạ. a) Xác định cường độ bức xạ tổng đến bề mặt nghiêng Gọi: G, GT cường độ bức xạ tổng đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng đang khảo sát. Gb, GbT cường độ tia trực xạ đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng đang khảo sát. Gd, GdT cường độ thành phần khuếch tán đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng đang khảo sát. HV: Nguyễn Đình Đáp 22 K16 Khoa học môi trường