Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới điện quốc...

Tài liệu Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới điện quốc gia

.PDF
88
328
66

Mô tả:

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------- DƢƠNG QUỲNH NGA THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên, 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------- DƢƠNG QUỲNH NGA THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS LẠI KHẮC LÃI Thái Nguyên, 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC KTCN THÁI NGUYÊN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA” HỌC VIÊN: LỚP: GVHD: DƢƠNG QUỲNH NGA K13TĐH PGS. TS LẠI KHẮC LÃI BAN GIÁM HIỆU PHÒNG QLĐT SAU ĐẠI HỌC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS. TS LẠI KHẮC LÃI DƢƠNG QUỲNH NGA THÁI NGUYÊN, 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan 4 Lời cảm ơn 5 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 6 Danh mục các bảng 8 Danh mục các hình vẽ và đồ thị 9 Chƣơng 1: Tìm hiểu về năng lƣợng mặt trời và các phƣơng pháp khai thác, sử dụng 12 1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời 13 1.1.1. Cấu trúc của mặt trời 13 1.1.2. Năng lượng mặt trời 14 1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời 15 17 1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời 17 1.1.4.2. Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia sáng qua lớp khí quyển (air mass) 20 1.1.4.3. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian 22 1.1.4.4. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian 23 1.2. Các phƣơng pháp khai thác sử dụng năng lƣợng mặt trời 23 1.2.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 24 25 25 26 1.2.1.4. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 26 1.2.1.5 Th 27 28 GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi -1- HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa 28 29 29 1.3. Kết luận chƣơng 1 32 Chƣơng 2: Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời 33 2.1. Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập 33 2.2. Lý thuyết hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời nối lƣới 35 2.2.1. Pin mặt trời 36 2.2.2. Bộ đóng cắt mềm 39 2.2.3. Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter 39 2.2.4. Bộ nghịch lưu DC/AC 43 2.2.5. Bộ lọc phía lưới: 45 2.2.6. Thiết bị điều khiển 45 2.3. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lƣới 48 . 48 48 49 49 2.3.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới 49 2.4. Kết luận chƣơng 2 50 Chƣơng 3 : Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lƣợng mặt trời nối lƣới 51 3.1. Vài nét về bộ nghịch lƣu áp ba pha nối lƣới 51 3.1.1. Định nghĩa 51 3.1.2. Phân loại 52 3.2. Phƣơng pháp điều chế véc tơ không gian SVM 54 3.2.1. Thành lập véc tơ không gian 55 GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi -2- HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa 3.2.2. Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho véc tơ không 56 gian 3.2.3. Trạng thái của van và các véc tơ biên chuẩn 57 3.3. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống 63 3.3.1. Mô tả Dàn Pin Mặt trời 63 3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ Boost Converter 66 3.3.3. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha DC/AC 74 (Voltage Source Inverter - VSI) Mạch vòng khóa pha PLL (Phase-locked loop) 78 3.4. Kết luận chƣơng 3 82 3.5. Kết luận và kiến nghị 82 Tài liệu tham khảo 84 GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi -3- HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Dương Quỳnh Nga Sinh ngày 20 tháng 11 năm 1985 Học viên lớp cao học khóa 13 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời hòa lƣới điện quốc gia” do thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, Ngày tháng 12 năm 2012 Tác giả luận văn Dƣơng Quỳnh Nga GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi -4- HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời hòa lƣới điện quốc gia” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PSG. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đặc biệt là thầy giáo TS.Đặng Danh Hoằng đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tác giả luận văn Dƣơng Quỳnh Nga GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi -5- HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: IΦ: dòng quang điện (A/m2); ID: dòng qua điot (A/m2); IS: dòng bão hoà (A/m2); n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy n = 1; RS: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời ( /m2); Rsh: điện trở sơn (điện trở dò) ( /m2) q: điện tích của điện tử (C). UDC: Điện áp một chiều Q: hàm đo chất lượng của mạch UPV, IPV: là điện áp và dòng điện của dàn Pin mặt trời UL, IL: là dòng điện ba pha của Lưới điện. CDC: điện dung của bộ DC link isu, isv, isw là ba dòng điện pha của lưới điện ba pha u, v, w là ba cuộn dây pha của lưới i s s là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ αβ i f s là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ dq isα và isβ là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ αβ θ là góc lệch pha của hệ tọa độ cùng gốc dq so với hệ αβ isd và isq là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ dq Ts là chu kỳ cắt mẫu tp, tt là thời gian điều chế SVM: Phương pháp điều chế vectơ không gian PWM: Phương pháp điều chế độ rộng xung GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi -6- HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa Uoc là điện áp hở mạch của Pin mặt trời Isc (short circuit current) dòng điện mạch ngắn trong Pin mặt trời DC – DC: Bộ biến đổi một chiều - một chiều (Bộ tăng thế hay bộ Boost Converter) DC – AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu) Chữ viết tắt: NLMT Năng lượng mặt trời PMT Pin mặt trời BĐK Bộ điều khiển BBĐ Bộ biến đổi MPPT Maximum Power Point Tracking NL Nghịch lưu PWM Pulse - Width – Modulation INC Incremental Conductance VSI Voltage Source Inverter L Lưới điện GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi -7- HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng 10 Bảng 1.2 Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời 11 Bảng 3.1 Bảng các điện áp pha và dây của lưới 50 Bảng 3.2 Bảng lựa chọn véc tơ biên chuẩn và véc tơ không 51 GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi -8- HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Tên hình Trang Hình 1.1 Cấu trúc mặt trời 9 Hình 1.2 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 10 Hình 1.3 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 13 Hình1.4 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 14 Hình 1.5 Định nghĩa và cách xác định airmas 17 Hình 1.6 Pin mặt trời 20 Hình 1.7 Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời 21 Hình1.8 Lò sấy sử dụng hệ thống NLMT 21 Hình 1.9 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 22 Hình 1.10 22 Hình 1.11 23 Hình 1.12 Thái dương năng 23 Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện Mặt trời 24 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới 25 Hình 2.3 Sơ đồ tương đương của Pin mặt trời 27 Hình 2.4 28 Hình 2.5 Bộ đóng cắt mềm Bộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET Hình 2.6 Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp 29 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho bộ Boost Converter 29 32 Hình 2.8 Sơ đồ mạch động lực bộ nghịch lưu DC/AC 33 Hình 2.9 Bộ lọc phía lưới 34 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển toàn hệ thống 36 Hình 3.1 Biểu diễn dòng điện is dưới dạng véc tơ không gian với 46 GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi -9- HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa các phần tử isα và isβ thuộc hệ tọa độ αβ Hình 3.2 Biểu diễn véc tơ không gian trên hệ tọa độ dq 47 Hình 3.3 Bộ nghịch lưu ba pha nối lưới 48 Hình 3.4 Các khả năng xảy ra khi đóng mở các van của bộ nghịch lưu 49 Hình 3.5 Các véc tơ biên chuẩn và các góc phần sáu 50 Hình 3.6 Mô tả Pin Mặt trời sử dụng Matlab Simulink 53 Hình 3.7 Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời 55 Hình 3.8 Đặc tính P-V của dàn pin 55 Hình 3.9 Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời qua mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink 56 Hình 3.10 Sơ đồ mô phỏng bộ Boost Converter trên Matlab 57 Hình 3.11: Hình 3.11: Thông số mạch Boost Converter 57 Hình 3.12 Hình 3.12: Mô tả bộ điều khiển DC-DC (MPPT) 58 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển MPPT 59 Hình 3.14 Hình 3.15 Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất đầu vào của máy phát: (a)- Bằng bộ nhân analog, (b)- Bằng sơn Điều chế và giải mã cho quá trình duy trì iểm công suất cực đại (MPPT) 59 60 Hình 3.16 Sơ đồ mạch MPPT vi phân 60 Hình 3.17 Sơ đồ mạch điều chế xung rộng (PWM) 61 Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán xác định điểm công suất cực đại 62 Hình 3.19 Sơ đồ mô tả khối MPPT trên Matlab 62 GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 10 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa Hình 3.20 Đồ thị điện áp đầu vào bộ Boost Converter 63 Hình 3.21 Đồ thị điện áp ra bộ Boost Converter 63 Hình 3.22 Sơ đồ mô tả điều khiển bộ nghịch lưu DC/AC 65 Hình 3.23 Thông số của mạch điều khiển nghịch lưu DC/AC 65 Hình 3.24 Sơ đồ mô tả bộ điều khiển nghịch lưu 66 Hình 3.25 Khối tính toán Id ref 66 Hình 3.26 Khâu điều chỉnh dòng 66 Hình 3.27 Khối tính toán Uabc_ref 67 Hình 3.28 Mô tả mạch vòng khóa pha PLL và các khối đo lường 67 Hình 3.29 Mô tả bộ chuyển hệ tọa độ 67 Hình 3.30 Mô tả bộ Phase Lock Loop PLL 70 Hình 3.31 Mạch điều khiển toàn hệ thống 71 Hình 3.32: Điện áp đầu ra hệ thống khi nối lưới 71 Hình 3.33 Dòng điện Id và Iq 71 GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 11 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa CHƢƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời đang được phát triển khuyến khích trên thế giới, đi đầu là các quốc gia: Đức, Đan Mạch, Nhật Bản, Hà Lan và Mỹ. Việt Nam có vị trí địa lý nằm trong khu vực cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, trong đó nhiều nhất là thành phố Hồ Chí Minh tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Sơn La, Lai Châu, Lào Cai...) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh…) nên việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời đang được các nhà khoa học trong nước quan tâm. Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Gần đây số lượng các hệ thống phát năng lượng mặt trời tăng nhanh dẫn tới hình thành sự cung cấp điện dịch vụ mới và đạt tiêu chuẩn ứng với nguồn năng lượng sạch. Đặc biệt, việc chuyển điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời vào nguồn điện lưới sẽ làm giảm chỉ số tiêu thụ điện từ lưới cho mỗi đơn vị sử dụng. Công nghệ này cho ta khả năng khai thác hiệu quả tài nguyên đóng góp trực tiếp vào các nguồn cung cấp phân bố trên diện rộng dựa trên mạng lưới điện quốc gia. GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 12 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa 1.1. Nguồn năng lƣợng mặt 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 sinh khối, 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. 1.1.1. Cấu trúc của mặt trời Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.108 km. Từ trái đất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31’59. Từ đó có thể tính được đường kính của mặt trời là R = 1,4.106 km, tức là bằng 109 lần đường kính quả đất và do đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.104 lần. Từ định luật hấp dẫn người ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lượng quả đất 33.104 lần. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lượng riêng của nước (1g/cm3) khoảng 50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất khác nhau. Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160 g/cm3, nhưng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh. Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1). Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời. Một số thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 1.1. GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 13 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa Hình 1.1. Cấu trúc mặt trời Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định. Thực ra bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng. Sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanh các đám đen là 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. 1.1.2. Năng lƣợng mặt trời 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 chỉ 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 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá. Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tương đối của Anhstanh và qua phản ứng nhiệt nhiệt hạt nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 14 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa hàng triệu độ. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.108 MPa. 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 được 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 và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân Proton.Proton. Khối lượng của mặt trời xấp xỉ 2.1027 tấn. Như vậy để mặt trời chuyến hoá hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu dài. 1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn 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 điện từ được gọi là bước sóng . Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.10 8 m/s. Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng v = c/n, trong đó n được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường, với n 1. Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10.7nm (nano met) đến hàng nghìn km. Hình 1.2 trình bày thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời. Tia Tia vũ trụ 10-10 10-8 Tia hồng ngoại Tia Tia tử Rơnghen ngoại 10-6 10-4 10 -2 0 10 Sóng ngắn 2 10 4 10 ( m) Sóng vô tuyến điện 6 10 8 10 10 10 12 10 14 10 Tia nhìn thấy Hình 1.2. Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 15 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 m đến gần 0,8 m, chỉ chiếm một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời. 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 học, hoá học và sinh học rất khác nhau. Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng. Khi đi từ bước sóng dài ngắn = 0,8 m đến giới hạn sóng = 0,4 m 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 = 580 m. Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau. Bảng 1.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của nó, còn bảng 1.2 là quan hệ giữa màu sắc của ánh sáng và bước sóng của nó. Từ bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong giải bước sóng từ tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến = 0,2 m (tử ngoại C, = 3.0 m (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ năng lượng không đáng kể. Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân tử khí, các hạt bụi,... hấp thụ hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến bề mặt quả đất bị thay đổi rất đáng kể. Bảng 1.1 : Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bƣớc sóng Quang phổ Mật độ năng Bước sóng lượng (W/m2) Tỷ lệ % Tia vũ trụ < 1 nm 6,978.10.5 Tia X 0,1 nm 6,978.10.7 Tia tử ngoại C 0,2 7,864.106 0,57 Tia tử ngoại B 0,28 0,32 m 2,122.101 1,55 Tia tử ngoại A 0,32 0,40 m 8,073.101 5,90 GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi 0,28 m - 16 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa 0,40 tuyến 0,62 m 1,827.102 13,36 0,78 m 2,280.102 16,68 1,40 m 4,125.102 30,18 1,40 3,00 m 1,836.102 13,43 100,00 m 2,637.101 1,93 0,10 vô 0,52 3,00 Sóng 16,39 0,78 Tia hồng ngoại 2,240.102 0,62 Tia nhìn thấy 0,52 m 10,0 cm 6,978.10.9 6,978.10.10 1,0 điện 10,00 100,0 cm 6,978.10.9 20,0 m Bảng 1.2: Màu sắc và bƣớc sóng của ánh sáng mặt trời Màu sắc Bước sóng (nm) Vùng sóng (nm) Đỏ 700 640 760 Da cam 620 600 640 Vàng 580 550 600 Xanh 510 480 550 Lam 470 450 480 Tím 420 400 450 1.1 . 1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời Qủa đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng 7991 km bao gồm các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 17 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan