Luận văn Nghiên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VIỆT PHONG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU PARABOL TRỤ NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 4 1 1 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VIỆT PHONG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU PARABOL TRỤ NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG AN QUỐC Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8/2013 (dòng 25) Tp. Hồ Chí Minh, tháng / (chữ thường, cỡ 13; ghi tháng năm bảo vệ)
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Việt phong Giới tính: Nam. Ngày, tháng, năm sinh: 08-09-1984 Nơi sinh: HCM. Quê quán: Quảng Nam Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 111/10, đường 52, P14, Gò Vấp Điện thoại cơ quan: Điện thoại riêng: 0978985080 Fax: E-mail: vietphong0984@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09 / 2004 đến 02/ 2009. Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật. TPHCM. Ngành học: Cơ khí chế tạo máy. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 10/2013 tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật. TPHCM. Người hướng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 3/2010 Trường CĐKT Cao Thắng Giáo viên bộ môn hàn ` i
4. LỜI CAM ĐOAN - Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi - Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Việt Phong ii
5. LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu trong chương trình đào tạo sau đại học của trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM, em đã tiếp thu và đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích . Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sỹ, vì lần đầu tiên tiếp xúc nên em gặp rất nhiều khó khăn. Với sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn TS. Hoàng An Quốc cùng với sự hỗ trợ của gia đình đã giúp em hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Thầy TS. Hoàng An Quốc - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM. - Quý thầy cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM. - Gia đình, bạn bè. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên quý báu của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2013 iii
6. TÓM TẮT Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu nâng cao hiệu suất, đồng thời thiết kế - chế tạo thử nghiệm mô hình bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ Nội dung gồm: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về năng lượng mặt trời, các bộ thu năng lượng mặt trời, mục đích của đề tài, nhiệm vụ của đề tài, ý nghĩa thực tiễn của đề tài. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết. Chƣơng 3: Trình bày về nghiên cứu thiết kế nhằm đạt hiệu suất cao và chế tạo mô hình thực nghiệm. Chƣơng 4: Trình bày thực nghiệm. Chƣơng 5: Kết luận và kiến nghị. iv
7. MỤC LỤC Tiêu đề Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vii Danh mục các chữ viết tắt xi Danh mục hình xiv Danh mục bảng xv Chƣơng 1 : TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. 1 1.2. Mục đích của đề tài: 2 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài. 3 1.4. Phương pháp nghiên cứu 4 1.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 4 Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Tổng quan chung về nguồn năng lượng mặt trời 5 2.1.1. Mặt trời 5 2.1.2. Nguồn bức xạ mặt trời 8 2.1.3.Tính toán năng lượng mặt trời 12 2.1.3.1.Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ 12 2.1.3.2.Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất 15 v
8. 2.1.3.3.Đo cường độ bức xạ mặt trời 19 2.1.3.4.Nguồn năng lượng mặt trời tại khu vực nghiên cứu 20 2.2. Bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ 21 2.2.1.Cấu tạo tổng quan bộ thu 21 2.2.2. Hoạt động của bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ 23 2.2.2.1. Hội tụ tia sáng. 23 2.2.2.2. Nguyên lý gia nhiệt đối lưu. 23 2.2.3.Bề mặt phản xạ của máng 24 2.2.4.Ống thu nhiệt 26 2.2.5. Hệ thống xoay máng 30 2.2.6. Cách nhiệt 30 2.3. Truyền nhiệt và cách nhiệt 30 2.3.1.Dẫn nhiệt 30 2.3.2.Hệ số dẫn nhiệt của chất khí 31 2.3.3.Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng 32 2.3.4.Hệ số dẫn nhiệt của vật rắn 34 2.3.4.1.Kim loại và hợp kim 34 2.3.4.2.Vật rắn cách điện 34 2.4.Trao đổi nhiệt đối lưu. 35 Chƣơng 3 : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO NÂNG CAO HIỆU SUẤT BỘ THU NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KIỂU PARABOL TRỤ 3.1.Nguyên lý hoạt động của bộ thu parabol trụ 39 3.2.Những yếu tố làm giảm hiệu suất của bộ thu: 40 3.3.Đặc tính thiết kế 40 3.3.1.Hướng đặt bộ thu 40 3.3.2.Thiết kế máng parabol trụ 43 3.3.3. Thiết kế ống cách ly 45 3.3.4. Thiết kế ống hấp thụ nhiệt 46 3.3.5.Thiết kế môi chất lỏng trong ống hấp thụ 47 3.3.6.Thiết kế nguyên lý lưu chuyển môi chất lỏng của bộ thu 47 vi
9. 3.4.Thiết kế hệ thống xoay máng 48 3.4.1 Điều kiện hội tụ của tia tới: 49 3.4.2. Các phương án thực hiện hệ thống xoay máng: 51 3.4.2.1 Giải pháp xoay máng parabol trụ bằng cơ 52 3.4.2.2 Giải pháp xoay máng parabol trụ bằng cảm biến 53 3.4.2.3 Xoay máng kết hợp dùng hệ thống cơ và cảm biến 54 3.4.2.4 Lựa chọn phương án hệ thống xoay máng 56 3.4.3.Những thành phần của hệ thống xoay 56 3.4.4.Tính toán hệ thống quay máng 61 3.4.5.Giải pháp reset máng parabol khi ngưng hoạt động 62 Chƣơng 4 : MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THÍ NGHIỆM 4.1.Thiết bị đo : 63 4.1.1.Máy đo năng lượng bức xạ mặt trời: 63 4.1.2.Nhiệt kế: 64 4.2.Dự kiến môi chất lỏng làm thí nghiệm: 64 4.2.1.Mô tả bình 64 4.2.2.Chất lỏng thí nghiệm 65 4.2.2.1.Thông số kỹ thuật 65 4.2.2.2.Dự tính lượng chất lỏng làm thí nghiệm 67 4.3. Mô hình thực nghiệm 67 4.4. Kết quả thí nghiệm 69 4.5. Đánh giá kết quả thí nghiệm 77 4.6. Đề xuất về ống thu nhiệt để nâng cao hiệu suất 79 Chƣơng 5 : KẾT LUẬN 5.1. Đánh giá kết quả của đề tài 81 5.2. Hướng phát triển 81 5.3. Kiến nghị: 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 vii
10. DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT E: là cường độ năng lượng bức xạ mặt ϕ : góc vĩ độ β : góc nghiêng của bề mặt khảo sát θ : góc tới của tia trực xạ θz : góc thiên đỉnh δ : góc lệch giữa tia trực xạ và mặt phẳng xích đạo λ : hệ số dẫn nhiệt cp : nhiệt dung riêng của chất lỏng ρ : khối lượng riêng của chất lỏng μ : độ nhớt động lực học của chất lỏng Φ : hình dáng và cách bố trí bề mặt trao đổi nhiệt ω : tốc độ chuyển động của dòng chất lỏng Q: dòng nhiệt (w) : cường độ trao đổi nhiệt đối lưu F : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tw : nhiệt độ bề mặt vật rắn tf : nhiệt độ trung bình của chất lỏng. viii
11. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG Trang Bảng 2.1: Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN 20 Bảng 2.2: Hệ số phản xạ của một số vật liệu kim loại. 26 Bảng 2.3: Hệ số truyền nhiệt một số kim loại thông dụng (tại 250 C) 28 Bảng 3.1: Thông số máng parabol của mô hình thực nghiệm 45 Bảng 3.2: Thông số ống thủy tinh cách ly của mô hình thực nghiệm 46 Bảng 3.3: Thông số ống hấp thụ nhiệt của mô hình thực nghiệm. 47 Bảng 4.1 : Thông số kỹ thuật máy đo năng lượng bức xạ CEM DT-1307 63 Bảng 4.2 : Thông số kỹ thuật máy đo năng lượng bức xạ CEM DT-1307 64 Bảng 4.3 : Thông số kỹ thuật dầu S2 65 ix
12. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 1.1 : Mặt cắt ngang một ngôi sao kiểu mặt trời 3 Hình 2.1 : Mặt cắt ngang một ngôi sao kiểu mặt trời 6 Hình 2.2: Dãy bức xạ điện từ 9 Hình 2.3: Góc nhìn mặt trời. 10 Hình 2.4 : Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời 11 qua lớp khí quyển của trái đất 12 Hình 2.5: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán 16 Hình 2.6 : Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng 18 Hình 2.7 : Trực xạ kế. 19 Hình 2.8 Thiết bị đo năng lượng bức xạ mặt trời hiện số. 20 Hình 2.9: Máng phản xạ parabol 21 Hình 2.10: Cấu tạo máng parabol trụ 22 Hình 2.11 : Bộ thu năng lượng parabol trụ thực tế. 22 Hình 2.12 : Nguyên lý đối lưu gia nhiệt chất lỏng 24 Hình 2.13: Bề mặt phản xạ ánh sáng được ghép từ nhiều tấm phẳng 25 Hình 2.14 : Mặt cắt ngang ống thu nhiệt 26 Hình 2.15: Độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ λ = f(t) của không khí 32 Hình 2.16 : λ(t) của nước 33 Hình 2.17: (t) của dầu 34 Hình 2.18 : (t) của vật liệu cách nhiệt. 35 x
13. Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của bộ thu 39 Hình 3.2: Hướng lắp đặt không cần xoay máng 41 Hình 3.3: Hướng đặt bộ thu với hệ thống xoay 42 Hình 3.4: Máng parabol 43 Hình 3.5 : Nguyên lý gia nhiệt chất lỏng của mô hình thực nghiệm 48 Hình 3.6: Tia sáng qua ống thủy tinh có bề dày nhỏ 50 Hình 3.7: Tia sáng truyền tới ống hấp thụ. 50 Hình 3.8: Điều kiện hội tụ của tia sáng 51 Hình 3.9: Điều khiển máng xoay bằng hệ thống cơ 52 Hình 3.10: Xoay máng bằng cảm biến 54 Hình 3.11: Máng xoay khi gặp trời mây mù. 55 Hình 3.12: Bộ truyền giảm tốc trục vít-bánh vít và động cơ bước 58 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động điều khiển động cơ bước 59 Hình 3.14: Cảm biến quang trở 60 Hình 3.15: Mạch điều khiển 61 Hình 4.1: Máy đo năng lượng bức xạ mặt trời CEM DT-1307 63 Hình 4.2: Nhiệt kế 64 Hình 4.3: Bình dầu 65 Hình 4.4 : Kết cấu tổng thể 68 Hình 4.5: Tủ đựng bản mạch điều khiển 68 Hình 4.6: Bộ phận truyền động xoay máng 69 Hình 4.7: Đồ thị nhiệt độ và năng lượng bức xạ theo thời gian 70 Hình 4.8: Tia phản xạ khỏi ống hấp thụ 79 xi
14. Hình 4.9 Hình dạng ống thu nhiệt 80 xii
15. Luận văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quốc CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1.Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu,các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố: Ngày nay trước nhu cầu ngày càng cao của con người về việc sử dụng năng lượng thì vấn đề nguồn năng lượng trở thành một vấn đề cấp thiết. Các nguồn năng lượng phổ biến hiện nay đang ngày càng trở nên khan hiếm, giá thành cao, lại gây nhiều ô nhiễm cho môi trường. Do vậy việc tìm ra một nguồn năng lượng dồi dào,sẵn có, sạch với môi trường đang đang được các nhà khoa học tích cực nghiên cứu. Năng lượng mặt trờilà một nguồn năng lượng thỏa mãn được nhiều tiêu chí,tuy nhiên việc ứng dụng chúng hiện nay đặc biệt là những ứng dụng cần nhiệt độ thu được cao còn nhiều hạn chế,chưa phổ biến rộng rãi. Việt Nam là nước nhiệt đới, tiềm năng bức xạ mặt trờivào loại cao trên thế giới, đặc biệt ở các vùng miền phía Nam có tiềm năng rất lớn trong việc tận dụng nguồn năng lượng này.Nguồn năng lượng mặt trờilà nguồn năng lượng dồi dào,sẵn có, thân thiện với môi trường,tuy nhiên việc nghiên cứu, triển khai,áp dụng tại Việt Nam là chưa tương xứng với tiềm năng. Các nghiên cứu về ứng dụng năng lượng mặt trờitại Việt Nam còn hạn chế, chủ yếu là hệ thống máy nước nóng năng lượng mặt trời,thu được nhiệt độ thấp. Trong khi đó, có nhiều ứng dụng đòi hỏi cần phải có nhiệt độ cao hơn 1000C,bộ thu có thể đạt được nhiệt độ cao này là bộ thu năng lượng mặt trờisử dụng parabol trụ. Với nhiệt độ thu được cao từbộ thu này ta có thể triển khai nhiều ứng dụng như sử dụng trong lò hơi, trong phát điện Chính vì vậy đề tài này đi vào hướng nghiên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trờikiểu parabol trụ. TH: Nguyễn Việt Phong 1
16. Luận văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quốc Các nghiên cứu trong nước về bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ có thể kể đến như của tác giả PGS.TS Hoàng Dương Hùng trong nghiên cứu “Năng lượng mặt trời,lý thuyết và ứng dụng” và một số tác giả khác. Tuy nhiên đa số các nghiên cứu này hầu như chỉ trình bày về các lý thuyết, các hệ thống hiện có, mà chưa đưa ra được các mô hình thức nghiệm,các số liệu cụ thể đo đạc được để có thể làm tư liệu cho việc úng dụng tại Việt Nam. Các nghiên cứu ngoài nước về hệ thống năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ khá đầy đủ và đa dạng, được đầu tư nghiên cứu rất quy mô, một số nước như Ấn Độ còn có những hệ thống ứng dụng công suất rất lớn như sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ làm quay tuốc-bin trong hệ thống nhà máy điện Tuy các nghiên cứu này khá đầy đủ nhưng không được công bố ra ngoài, các tài liệu có được cũng chỉ là những lý thuyết đơn giản đã được phổ biến rộng rãi, chưa có được số liệu phù hợp với khí hậu Việt Nam. Với những điều kiện vị trí địa lý thuận lợi, việc “ Nghiên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lƣợng mặt trời kiểu parabol trụ”là cần thiết trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng cao,mở ra hướng mới trong sử dụng nguồn năng lượng xanh,sạch và sẵn có này. 1.2.Mục đích của đề tài: Mục đích của đề tài nhằm nghiên cứucác bộ phận của hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ nhằm nâng cao hiệu suất, đồng thời thiết kế và chế tạo bộ thu năng lượng mặt trờikiểu parabol trụ nhằm thực nghiệm nhiệt độ của bộ thu. Nhiệt độ thu được của bộ thu có thể phục vụ cho các lò hơi, sấy, chạy tuốc-bin điện, hệ thống đun sôi nước hoặc các ứng dụngcần gia nhiệt khác. HVTH: Nguyễn Việt Phong 2
17. Luận văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quốc Nung nóng bằng gas Gia nhiệt Nung nóng Năng lượng 0 bằng điện (Cao hơn 100 C) mặt trời Đốt cháy các vật liệu khác Năng lượng mặt trời Hình 1.1: Một số phương pháp gia nhiệt Năng lượng mặt trờilà nguồn năng lượng hầu như vô tận, dồi dào, sạch, sẵn có ở nước ta. Việc triển khai ứng dụng gia nhiệt cho chất lỏng bằng năng lượng mặt trời,cụ thể là bộ thu năng lượng mặt trờikiểu parabol trụ sẽ mang lại lợi ích kinh tế lớn trong việc tiết kiệm chi phí nguyên liệu đốt. 1.3.Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của bộ thu năng lượng mặt trời nhiệt độ cao dùng parabol trụ. - Nghiên cứu thiết kếnhằm nâng cao hiệu suất thu nhiệt - Chế tạo bộ thu năng lượng mặt trờikiểu parabol trụ. - Thực nghiệm đo nhiệt độ thu được của bộ thu. Cuối cùng, sẽ đưa ra các kết luận về kết quả thực hiện, nêu lên các vấn đề đã giải quyết được, các vấn đề còn tồn đọng chưa được giải quyết và đề xuất hướng phát triển của đề tài. HVTH: Nguyễn Việt Phong 3
18. Luận văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quốc 1.4.Phƣơng pháp nghiên cứu. - Dựa vào các tài liệu hiện có về lý thuyết năng lượng mặt trờiđể tìm hiểu cơ sở lý thuyết đối với bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ. - Sau đó dựa vào lý thuyết để tính toán,thiết kế,chế tạo một bộ thu năng lượng mặt trờinhiệt độ cao dùng parabol trụ. 1.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài. Nước ta nằm ở vị trí thuận lợi trong việc triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời, số giờ nắng quanh năm rất cao, tuy nhiên việc ứng dụng năng lượng mặt trời còn rất hạn chế, chủ yếu chỉ là những bộ thu năng lượng mặt trời ứng dụng trong máy nước nóng hộ gia đình với nhiệt độ thu được thấp ( nhỏ hơn 1000C) , đặc biệt là những ứng dụng khác cần nhiệt độ cao (lớn hơn 1000C)trong sản xuất công nghiệp chưa được quan tâm đúng mức. Trước khoảng trống còn bỏ ngỏ đó, việc nghiên cứu triển khai bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ vào thực tiễn là nhu cầu cần thiết hiện nay. HVTH: Nguyễn Việt Phong 4
19. Luận văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quốc CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Tổng quan chung về nguồn năng lƣợng mặt trời: 2.1.1. Mặt trời: Mặt trờilà ngôi sao ở trung tâm và nổi bật nhất trong Thái Dương Hệ. Khối lượng khổng lồ của nó (332.900 lần khối lượng trái đất), tạo ra nhiệt độ và mật độ đủ lớn tại lõi để xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân, làm giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, phần lớn phát xạ vào không gian dưới dạng bức xạ điện từ, với cực đại trong dải quang phổ từ 400 tới 700 nm mà chúng ta gọi là ánh sáng khả kiến. Mặt trờilà một sao nhóm I, nhóm sao có nhiều nguyên tố nặng. Sự hình thành mặt trời có thể đã được bắt đầu từ các sóng chấn động từ một hay nhiều siêu tân tinh bên cạnh. Lý thuyết này được đưa ra do sự phong phú của nguyên tố nặng trong hệ mặt trời, như vàng và uranium, nếu những sao có nhiều nguyên tố này thì gọi là sao nhóm II (ít nguyên tố nặng). Các nguyên tố này theo khả năng có thể nhất đã được tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân thu năng lượng trong một quá trình hình thành sao siêu mới, hay bởi sự biến đổi thông qua hấp thụ neutron bên trong một ngôi sao lớn thế hệ hai. Cấu trúc của mặt trờikhông có ranh giới cụ thể , ở phần phía ngoài của nó, mật độ các khí giảm gần như theo hàm mũ theo khoảng cách từ tâm. Tuy nhiên, cấu trúc bên trong của nó được xác định rõ ràng, như được miêu tả bên dưới. Bán kính mặt trờiđược đo từ tâm tới cạnh ngoài quang quyển. Đây đơn giản là lớp mà bên trên nó các khí quá lạnh hay quá mỏng để bức xạ một lượng ánh sáng đáng kể, và vì thế là bề mặt dễ quan sát nhất bằng mắt thường. HVTH: Nguyễn Việt Phong 5
20. Luận văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quốc Phía trong mặt trờikhông thể được quan sát trực tiếp và chính mặt trờilà vật chắn bức xạ điện từ. Tuy nhiên, tương tự như trong địa chất học sử dụng sóng do các trận động đất tạo ra để xác định cấu trúc bên trong của Trái Đất, ngành nhật chấn học sử dụng các sóng ngoại âm đi xuyên qua phần trong mặt trờiđể đo và hình dung cấu trúc bên trong của ngôi sao.Mô hình máy tính về mặt trờicũng sử dụng một công cụ lý thuyết để xác định các lớp bên trong của nó. Hình 2.1 : Mặt cắt ngang mặt trời Lõi của mặt trờiđược coi là chiếm khoảng 0,2 tới 0,25 bán kính mặt trời. Nó có mật độ lên tới 150g/cm³(150 lần mật độ nước trên trái đất) và có nhiệt độ gần 13.600.000 độ K (so với nhiệt độ bề mặt mặt trờikhoảng 5.800 0K).Những phân tích gần đây cho thấy tốc độ tự quay của lõi cao hơn vùng bức xạ. Trong hầu hết vòng đời của mặt trời, năng lượng được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân thông qua một loạt bước được gọi là dãy p–p (proton–proton)để biến hydro thành heli. Chưa tới 2% heli được tạo ra trong mặt trờicó từ chu trình CNO (Cacbon-Nitơ-Ôxy). Lõi là vùng duy nhất trong mặt trời tạo ra một lượng đáng kể nhiệt thông qua phản ứng tổng hợp: phần còn lại của ngôi sao được đốt nóng bởi năng lượng truyền ra ngoài HVTH: Nguyễn Việt Phong 6
21. Luận văn cao học GVHD: TS. Hoàng An Quốc từ lõi. Tất cả năng lượng được tạo ra từ phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi phải đi qua nhiều lớp để tới quang quyển trước khi đi vào không gian dưới dạng ánh sáng mặt trời hay động năng của các hạt. Tốc độ phản ứng tổng hợp hạt nhân phụ thuộc nhiều vào mật độ và nhiệt độ, vì tốc độ phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra ở lõi trong trạng thái cân bằng tự điều chỉnh: nếu tốc độ phản ứng hơi lớn hơn sẽ khiến lõi nóng lên nhiều và hơi mở rộng chống lại trọng lượng của các lớp bên ngoài, làm giảm tốc độ phản ứng và điều chỉnh sự nhiễu loạn; và nếu tốc độ hơi nhỏ hơn sẽ khiến lõi lạnh đi và hơi co lại, làm tăng tốc độ phản ứng và một lần nữa lại đưa nó về mức cũ. Các photon (tia gamma) nhiều năng lượng phát ra trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân bị hấp thụ trong một plasma mặt trờichỉ vài millimét, và sau đó tái phát xạ theo hướng ngẫu nhiên (và ở mức năng lượng khá thấp),vì thế cần một thời gian dài các bức xạ mới lên tới bề mặt mặt trời. Những ước tính về "thời gian di chuyển của photon" trong khoảng từ 10.000 tới 170.000 năm.Sau chuyến du hành cuối cùng qua lớp đối lưu bên ngoài để tới "bề mặt" trong suốt của quang quyển, các photon thoát ra như ánh sáng khả kiến. Mỗi tia gamma trong lõi mặt trờiđược chuyển thành hàng triệu photon ánh sáng nhìn thấy được trước khi đi vào không gian. Các neutrino cũng được phát sinh từ các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi, nhưng không giống như photon, chúng hiếm khi tương tác với vật chất, vì thế hầu như toàn bộ chúng thoát khỏi mặt trờingay lập tức. Trong nhiều năm những đo đạc về số lượng neutrino do mặt trờitạo ra cho kết quả thấp hơn các dự đoán lý thuyết khoảng 3 lần. Sự không nhất quán này gần đây đã được giải quyết thông qua sự khám phá các hiệu ứng dao động neutrino. Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một phần vật chất khối lượng của mặt trời bị mất đi, khối lượng của mặt trời vì thế mỗi giây giảm gần 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu thì trạng thái của mặt trời sẽ không thay đổi trong hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên tới 9.1024 kWh. HVTH: Nguyễn Việt Phong 7