Trong kỷ nguyên năng lượng sạch, sự hiểu biết về góc nghiêng của Mặt Trời không chỉ là vấn đề thiên văn. Nó là nền tảng để thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời tốt nhất, một nguồn năng lượng tái tạo đang ngày càng phổ biến.
Bài viết này sẽ khám phá cách dự đoán vị trí của Mặt Trời, thiết kế kiến trúc tận dụng ánh sáng mặt trời, tối ưu hóa góc nghiêng pin mặt trời, và hiểu biết về độ nghiêng cùng với sự biến đổi thời gian ánh sáng theo mùa để tăng cường hiệu quả của hệ thống pin mặt trời.
Góc nghiêng mặt trời vào các mùa trong năm
Góc nghiên của mặt trời (được ký hiệu là δ) là một khái niệm quan trọng trong nghiêng cứu về pin mặt trời và khí tượng học. Góc này mô tả vị trí góc của mặt trời so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Cụ thể, nó là góc giữa hướng của ánh sáng mặt trời đến mặt phẳng xích đạo Trái Đất.
Góc nghiên của mặt trời biến đổi trong suốt năm do độ nghiêng của trục quay Trái Đất so với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời. Điều này dẫn đến các hiện tượng thay đổi mùa. Trong suốt năm, giá trị của góc δ dao động từ khoảng -23.44° đến +23.44°:
- Góc này đạt δ = +23.44° vào khoảng ngày 21 tháng 6, khi là hạ chí, tức là khi mặt trời ở vị trí cao nhất so với xích đạo về phía bắc.
- Ngược lại, nó đạt δ= -23.44° vào khoảng ngày 21 tháng 12, khi là đông chí, tức là khi mặt trời ở vị trí thấp nhất so với xích đạo về phía nam.
- Góc đạt δ =0° Vào các ngày 21 tháng 3 và 21 tháng 9, những ngày này thường tương ứng với hai điểm phân, lần lượt là xuân phân và thu phân. Đây là những thời điểm mà Mặt Trời chiếu sáng trực tiếp trên xích đạo của Trái Đất. Điều này xảy ra khi Trái Đất ở trong quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời mà trục của nó không nghiêng về phía Mặt Trời hay xa Mặt Trời, mà hướng đúng góc vuông với Mặt Trời.
Góc nghiêng mặt trời có tác động đáng kể đến lượng năng lượng mặt trời chiếu vào một điểm cụ thể trên bề mặt Trái Đất tại một thời điểm cụ thể. Vì vậy, nó là một thông số quan trọng trong việc tính toán hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, thiết kế các hệ thống năng lượng mặt trời, và cả trong dự báo thời tiết và khí hậu.
Công thức để tính toán góc nghiêng của mặt trời trong năm như sau:
n là số thứ tự của ngày trong năm, với ngày 1 tháng 1 là ngày thứ nhất. Giá trị 23.45 độ là độ nghiêng tối đa của trục Trái Đất so với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời, và nó cũng là giá trị tối đa của độ nghiêng mặt trời. Giá trị này làm cho độ nghiêng mặt trời biến đổi từ +23.45 độ trong hạ chí, khi Mặt Trời nằm trực tiếp trên chí tuyến Bắc, đến -23.45 độ trong đông chí, khi Mặt Trời nằm trên chí tuyến Nam.
Sử dụng công thức này, chúng ta có thể xác định góc nghiêng mặt trời tại bất kỳ địa điểm nào trên Trái Đất và vào bất kỳ thời điểm nào trong năm. Điều này giúp cho việc thiết kế hệ thống pin mặt trời, cho phép các kỹ sư tính toán góc đặt tối ưu cho tấm pin dựa trên sự thay đổi của độ nghiêng mặt trời qua các mùa, đảm bảo rằng tấm pin sẽ nhận được lượng bức xạ mặt trời lớn nhất có thể.
Xác định góc cao của mặt trời.
Góc cao mặt trời (β) là một thuật ngữ trong lĩnh vực thiên văn và khí tượng, chỉ góc giữa hướng của mặt trời và đường chân trời tại một địa điểm và thời điểm cụ thể. Góc này là một chỉ số quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến lượng ánh sáng mặt trời và nhiệt độ mà một địa điểm nhận được trong ngày.
Góc cao có thể thay đổi từ -90 độ (khi mặt trời ở dưới đường chân trời, tức là vào ban đêm) đến 90 độ (khi mặt trời ở ngay đỉnh đầu). Khi mặt trời mọc hoặc lặn, góc này là 0 độ. Góc này cao nhất tại thời điểm mặt trời ở điểm cao nhất trên bầu trời, hay còn gọi là cực điểm.
Giá trị của góc cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm vĩ độ của địa điểm, thời gian trong ngày, và thời điểm trong năm. Ví dụ, tại các vĩ độ cao hơn gần các cực, mặt trời có thể không bao giờ đạt đến một góc cao vào mùa đông, khiến cho những khu vực này trải qua những ngày ngắn hơn và ít ánh sáng mặt trời hơn.
Công thức tính góc cao của Mặt Trời tại trưa nắng là một công cụ quan trọng trong việc xác định vị trí tối ưu cho việc lắp đặt tấm pin mặt trời.
Công thức tính góc cao của Mặt Trời là:
βN = 90 – L + δ
Trong đó:
90°: Là góc vuông giữa đường chân trời và đỉnh đâu
L: Là vĩ độ của địa điểm lắp đặt tấm pin (đo bằng độ).
δ: Là góc nghiêng mặt trời (đo bằng độ), biến đổi trong khoảng từ +23.45° đến -23.45° qua các ngày trong năm.
Tính độ nghiêng mặt trời (δ) cho ngày 9 tháng 4 và góc cao của mặt trời (βN) biết vĩ độ là 10.3°
Giải pháp
Tính tổng số ngày từ đâu năm đến hêt tháng 3 là tổng cộng 90 ngày
Thêm số ngày từ đâu tháng 4 đến ngày 9 vào tổng số ngày:
90 (tổng số ngày đến hêt tháng 3) + 9 (ngày trong tháng 4) = 99 ngày.
Số thứ tự của ngày trong năm cho ngày 9 tháng 4 là 99.Sử dụng công thức cho độ nghiêng mặt trời (δ)
δ=23.45×sin(360/365×(99-81)) = 7.15°
Nếu một tấm pin được lắp đặt ở vĩ độ 10.3° và góc nghiêng mặt trời (δ) vào ngày 9 tháng 4 =7.15° góc cao của Mặt Trời sẽ là:
βN = 90 – 10.3 + 7.15 = 86.85°