Bức xạ mặt trời là gì? Phân loại, công thức tính và vai trò

Bức xạ mặt trời là gì? Tìm hiểu khái niệm, phân loại, công thức tính, vai trò, bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam và ứng dụng khai thác năng lượng mặt trời.

Bức xạ mặt trời là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất đối với Trái Đất, quyết định khí hậu, thời tiết, vòng tuần hoàn nước và sự sống của sinh vật. Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng sạch ngày càng tăng, bức xạ mặt trời càng trở thành chủ đề được quan tâm rộng rãi trong khoa học và ứng dụng thực tiễn.

Bài viết dưới đây trình bày đầy đủ kiến thức về bức xạ mặt trời là gì.

Mục lục bài viết

1. Bức xạ mặt trời là gì?

Bức xạ mặt trời (Solar Radiation) là năng lượng Mặt Trời phát ra dưới dạng sóng điện từ, truyền xuyên qua không gian và tới Trái Đất. Nguồn năng lượng này bao gồm nhiều loại bức xạ như: tia tử ngoại (UV), ánh sáng khả kiến, tia hồng ngoại (IR), sóng radio và một phần nhỏ tia X.

Khoảng 99% năng lượng bức xạ mặt trời thuộc ba dải phổ chính:

Tử ngoại (UV): bước sóng 0,2 – 0,4 μm
Ánh sáng nhìn thấy: 0,4 – 0,76 μm
Hồng ngoại gần (IR): 0,76 – 3 μm

Đây là nguồn năng lượng chính điều hòa mọi hoạt động khí hậu – sinh học trên Trái Đất.

2. Bức xạ mặt trời tiếng Anh là gì?

Tiếng Anh gọi là: Solar Radiation.

Trong năng lượng tái tạo, còn có các thuật ngữ liên quan:

Solar Irradiance: cường độ bức xạ tại một thời điểm.
Solar Insolation: tổng lượng bức xạ tích lũy trong một ngày/tháng/năm.
Solar Constant: hằng số bức xạ mặt trời.

3. Năng lượng bức xạ mặt trời chủ yếu đến từ đâu?

Năng lượng bức xạ Mặt Trời đến từ phản ứng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion) trong lõi Mặt Trời. Trong đó:

4 hạt nhân hydrogen hợp nhất thành helium
Giải phóng năng lượng khổng lồ dưới dạng bức xạ điện từ.

Nguồn gốc này diễn ra liên tục và ổn định, tạo nên dòng năng lượng khổng lồ chiếu tới Trái Đất.

4. Cường độ bức xạ mặt trời là gì?

Cường độ bức xạ mặt trời (Solar Irradiance) là lượng năng lượng bức xạ chiếu tới một diện tích nhất định trong một đơn vị thời gian.

Đơn vị phổ biến:

W/m² (Watt trên mét vuông)

Trong điều kiện lý tưởng ngoài khí quyển Trái Đất, cường độ đo được là:

1361 W/m² – gọi là Hằng số bức xạ mặt trời (Solar Constant).

5. Công thức tính cường độ bức xạ mặt trời

Công thức cơ bản:

I = P / A

Trong đó:

I: cường độ bức xạ (W/m²)
P: công suất bức xạ nhận được (W)
A: diện tích bề mặt hấp thụ (m²)

Trong năng lượng mặt trời còn dùng công thức tính năng lượng thu được:

E = I × t × η × A

Trong đó:

t: thời gian nhận bức xạ
η: hiệu suất tấm pin
A: diện tích bề mặt tấm pin

Đối với khí tượng học, tính tổng xạ ngày (H) thường dùng phương trình Angström–Prescott hoặc sử dụng dữ liệu đo từ các trạm khí tượng và cảm biến pyranometer.

6. Công suất bức xạ mặt trời

Công suất mặt trời đặt trên bề mặt Trái Đất trong ngày nắng có thể đạt:

1000 W/m² vào buổi trưa trời quang.
Dao động từ 150 – 250 W/m² trong điều kiện nhiều mây.

Các hệ thống năng lượng mặt trời thường dựa vào giá trị đỉnh 1000 W/m² để tính toán công suất tiêu chuẩn (STC – Standard Test Conditions).

7. Bức xạ mặt trời đi vào Trái Đất là bức xạ ngắn hay dài?

Bức xạ mặt trời đến Trái Đất là bức xạ sóng ngắn (shortwave radiation).

Сụ thể gồm:

Tia UV
Ánh sáng khả kiến
Hồng ngoại gần

Sau khi Trái Đất hấp thụ và phát ngược lại, năng lượng đó trở thành bức xạ sóng dài (longwave radiation) – là một phần quan trọng trong hiệu ứng nhà kính.

8. Phân loại bức xạ mặt trời

Dựa theo nguồn gốc và hướng chiếu, có 3 loại:

Bức xạ trực tiếp (Direct Radiation)

Đi theo đường thẳng từ Mặt Trời đến bề mặt Trái Đất, không bị tán xạ hoặc bị tán xạ ít.

Bức xạ khuếch tán (Diffuse Radiation)

Bị tán xạ bởi khí quyển, mây, bụi… sau đó mới chiếu đến mặt đất.

Bức xạ phản xạ (Reflected Radiation)

Là phần bức xạ phản xạ khỏi mặt đất hoặc các vật thể xung quanh.

Tổng xạ (Global Radiation) = Trực tiếp + Khuếch tán.

9. Vai trò của bức xạ mặt trời đối với Trái Đất

Bức xạ mặt trời có vai trò quyết định:

Duy trì khí hậu và nhiệt độ toàn cầu

Tạo nên sự chênh lệch nhiệt giữa các vĩ độ, sinh ra gió, dòng biển.
Quy định nhiệt độ trung bình và sự phân hóa khí hậu.

Thúc đẩy chu trình nước

Làm bốc hơi nước từ đại dương và đất liền.
Hình thành mây, mưa và các dạng giáng thủy.

Cung cấp năng lượng cho sinh giới

Thực vật quang hợp nhờ ánh sáng mặt trời.
Tạo nên nguồn năng lượng đầu tiên cho hệ sinh thái.

Tác động đến thời tiết và khí hậu Việt Nam

Bức xạ mạnh góp phần tạo mùa hè nóng ẩm.
Miền Nam nhận bức xạ nhiều hơn miền Bắc do ít mây và ít lạnh.

10. Bức xạ mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới nên nhận lượng bức xạ dồi dào:

Tổng xạ trung bình năm: 140 – 210 kcal/cm²
Số giờ nắng: 1600 – 3000 giờ/năm
Miền Nam cao hơn miền Bắc

Vùng nhận bức xạ mạnh nhất:

Nam Trung Bộ
Tây Nguyên
Nam Bộ
Ninh Thuận – Bình Thuận là trung tâm bức xạ lớn nhất cả nước.

11. Bản đồ bức xạ mặt trời ở Việt Nam

Bản đồ bức xạ mặt trời thể hiện sự phân bố tổng lượng bức xạ trong năm. Các vùng chính:

Bản đồ bức xạ mặt trời ở Việt Nam

Bức xạ cao (trên 5 kWh/m²/ngày)

Ninh Thuận, Bình Thuận
Tây Nguyên
Nam Bộ

Bức xạ trung bình (4–5 kWh/m²/ngày)

Bắc Trung Bộ
Trung du miền núi phía Bắc

Bức xạ thấp hơn (3,5–4 kWh/m²/ngày)

Đồng bằng Bắc Bộ, đặc biệt mùa đông nhiều mây.

12. Cảm biến bức xạ mặt trời

Trong khoa học khí tượng và năng lượng, các cảm biến sau được dùng:

Pyranometer

Đo tổng xạ mặt trời (Global Radiation).

Pyrheliometer

Đo bức xạ trực tiếp (Direct Radiation).

Cảm biến UV

Đo tia tử ngoại.

Solar Power Meter

Dùng trong lắp đặt điện mặt trời.

13. Khai thác bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời được khai thác trong:

Hình ảnh những tấm PIN thu năng lượng mặt trời

Điện mặt trời (Solar PV)

Sử dụng tấm pin quang điện để chuyển ánh sáng thành điện năng.

Nhiệt mặt trời (Solar Thermal)

Bình nước nóng năng lượng mặt trời
Hệ thống sưởi, làm nóng chất lỏng

Nông nghiệp và đời sống

Phơi sấy nông sản
Sưởi ấm tự nhiên
Nhà kính trồng trọt

14. Tác động của bức xạ mặt trời

Tích cực

Duy trì nhiệt độ sống
Cung cấp ánh sáng và năng lượng
Ứng dụng rộng rãi trong năng lượng tái tạo

Tiêu cực

Tia UV gây cháy nắng, ung thư da
Nhiệt độ cao làm tăng bốc hơi → hạn hán
Góp phần làm nóng lên toàn cầu nếu phản xạ thấp (giảm albedo)

Lời kết

Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sống còn với Trái Đất và con người. Hiểu rõ bản chất, cách đo đạc, phân bố và ứng dụng giúp chúng ta tận dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch, đồng thời hạn chế những tác động tiêu cực của bức xạ mạnh trong điều kiện khí hậu biến đổi.