Năng lượng mặt trời đang ngày càng khẳng định vị trí quan trọng trong bức tranh năng lượng tái tạo toàn cầu. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ quang điện và sự gia tăng nhu cầu về nguồn năng lượng sạch, bền vững, việc khai thác tiềm năng to lớn của ánh sáng mặt trời trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.
Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả tối đa trong việc thiết kế, triển khai và vận hành các hệ thống điện mặt trời, việc sở hữu cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời tại các khu vực khác nhau trên thế giới là điều vô cùng quan trọng.
Bức xạ mặt trời, tức lượng năng lượng từ ánh sáng mặt trời đạt đến bề mặt Trái Đất, là cơ sở thiết yếu cho sự phát triển của các hệ thống năng lượng mặt trời. Đánh giá chính xác bức xạ giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống hiệu quả, tối ưu hóa sản lượng điện và đạt được lợi ích kinh tế tối đa. Do đó, việc thu thập và lưu trữ dữ liệu bức xạ mặt trời trong các cơ sở dữ liệu chuyên dụng trở nên vô cùng quan trọng, cung cấp thông tin chính xác và đáng tin cậy cho quá trình lập kế hoạch, thiết kế và vận hành các dự án điện mặt trời.
Các cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời phổ biến, như SARAH, SARAH2 của EU, ERA5 của Trung tâm Dự báo Thời tiết Trung bình Châu Âu (ECMWF), NSRDB của Hoa Kỳ cung cấp dữ liệu phân tích bức xạ chi tiết. Trong bài viết này chúng ta sẽ khám phá chi tiết cho từng bộ cơ sở dữ liệu để từ đó có những tính toán sơ bộ trong việc ước tính nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo này.
Bộ Cơ Sở Dữ liệu Bức Xạ Mặt Trời SARAH-2
Bộ cơ sở dữ liệu bức xạ SARAH-2 đáp ứng nhu cầu này một cách xuất sắc, cung cấp thông tin đáng tin cậy về bức xạ mặt trời cho các khu vực châu Âu, châu Phi và châu Á.
SARAH-2 là phiên bản cập nhật thứ hai của bộ dữ liệu bức xạ mặt trời do Phòng ứng dụng Giám sát Khí hậu Vệ tinh (CM SAF) của Tổ chức Vệ tinh Khí tượng châu Âu (EUMETSAT) cung cấp. Dữ liệu này được xây dựng dựa trên hình ảnh từ các vệ tinh địa tĩnh METEOSAT, bao phủ khu vực châu Âu, châu Phi và châu Á (trong phạm vi ±65° vĩ độ và kinh độ).
Một trong những điểm nổi bật của SARAH-2 là việc cung cấp dữ liệu trung bình dài hạn về bức xạ toàn cầu và bức xạ tán xạ hàng giờ trong giai đoạn từ năm 2005 đến 2020. Điều này cho phép các chuyên gia đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời của một khu vực cụ thể một cách chính xác và toàn diện.
Bên cạnh đó, SARAH-2 cũng cung cấp dữ liệu về bức xạ mặt trời trên các bề mặt khác nhau, bao gồm bề mặt nằm ngang, bề mặt nghiêng tối ưu và bề mặt theo dõi mặt trời hai trục. Thông tin này rất hữu ích cho việc thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống điện mặt trời, giúp đạt hiệu suất tối đa.
SARAH-2 được cung cấp dưới dạng tập tin GeoTIFF, với độ phân giải lên đến 3′ (0,05°) cho dữ liệu SARAH-2 và 0,25° cho dữ liệu ERA5. Các tập tin này bao gồm thông tin về bức xạ mặt trời hàng tháng, hàng năm, cũng như góc nghiêng tối ưu cho bề mặt hướng về phía đường xích đạo.
Với sự chính xác và đầy đủ của dữ liệu, SARAH-2 trở thành một công cụ hữu ích cho các nhà phát triển dự án năng lượng mặt trời trên khắp châu Âu, châu Phi và châu Á. Bộ dữ liệu này giúp các chuyên gia đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời, lập kế hoạch và thiết kế hệ thống một cách hiệu quả, từ đó góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành năng lượng tái tạo.
Bộ Cơ Sở Dữ liệu Bức Xạ Mặt Trời NSRDB
NSRDB là một tập dữ liệu có độ phân giải cao về thời gian và không gian, bao gồm ba loại đo lường bức xạ mặt trời phổ biến nhất – bức xạ toàn cầu trên mặt phẳng nằm ngang, bức xạ trực tiếp theo phương thẳng đứng và bức xạ tán xạ trên mặt phẳng nằm ngang – cũng như các dữ liệu khí tượng khác. Phiên bản hiện tại của NSRDB được mô hình hóa bằng Mô hình Vật lý Mặt trời (PSM) của NREL, sử dụng đầu vào từ các đo lường đa kênh thu được từ Vệ tinh Môi trường Hoạt động Địa tĩnh (GOES) của Cơ quan Khí tượng và Đại dương Quốc gia (NOAA).
Hệ thống Lập bản đồ Tương tác Đa cảm biến Tuyết và Băng (IMS) của Trung tâm Băng Quốc gia (NIC), và Máy quét Phổ Phân giải Trung bình (MODIS) cùng với Phân tích Hiện đại về Nghiên cứu và Ứng dụng, phiên bản 2 (MERRA-2) của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Quốc gia (NASA).
PSM (Physical Solar Model) là một quy trình mô hình hóa vật lý gồm hai bước để dự đoán bức xạ mặt trời. Trong bước đầu tiên, thu thập và phân tích dữ liệu về đám mây và các thành phần khác của khí quyển như bụi mịn hay hơi nước. Thông tin này được dùng để hiểu rõ cách thức các đám mây và khí quyển ảnh hưởng đến ánh sáng mặt trời khi nó xuyên qua khí quyển đến Trái Đất.
Sau đó, trong bước thứ hai, các dữ liệu này được đưa vào một mô hình truyền bức xạ tên là FARMS (Fast All-sky Radiation Model for Solar applications). FARMS sử dụng thông tin về đám mây và khí quyển để tính toán lượng bức xạ mặt trời đến tất cả các điểm trên bề mặt trái đất, không chỉ ở các khu vực quang đãng mà còn cả ở những khu vực có mây.
Thêm vào đó, khi sử dụng FARMS cùng với FARMS-NIT (Narrowband Irradiances for Tilted surfaces), NSRDB có khả năng cung cấp thông tin chi tiết về bức xạ mặt trời cho từng loại bề mặt cụ thể dựa trên độ nghiêng và hướng của tấm pin mặt trời, cũng như thời gian và vị trí cụ thể mà người dùng yêu cầu.
Quá trình phát triển một cơ sở dữ liệu NSRDB (National Solar Radiation Database) liên tục và nhất quán về không gian và thời gian bao gồm nhiều bước quan trọng để xử lý và chuẩn bị dữ liệu trước khi thực hiện tính toán bức xạ mặt trời:
- Lập Lưới: Đây là bước đầu tiên, trong đó tất cả dữ liệu đầu vào được tổ chức và xử lý lại thành các lưới với độ phân giải 4×4 km. Điều này giúp chuẩn hóa dữ liệu để chúng có thể được so sánh và tính toán một cách nhất quán.
- Nội Suy Theo Thời Gian: Sau khi dữ liệu đã được lập lưới, chúng được gán vào các khoảng thời gian cụ thể của NSRDB, cứ sau mỗi 30 phút. Điều này đảm bảo rằng dữ liệu bức xạ mặt trời được ghi lại đều đặn và liên tục theo thời gian.
- Dịch Chuyển Thời Gian: Bước này điều chỉnh dữ liệu để phù hợp với dấu thời gian của từ Vệ tinh Môi trường Hoạt động Địa tĩnh, giúp đồng bộ hóa thời gian thu thập dữ liệu giữa các hệ thống quan sát khác nhau.
- Điền vào Lỗ Hổng Dữ liệu: Trong quá trình thu thập dữ liệu từ vệ tinh, thường có các khoảng trống không có dữ liệu do nhiều lý do khác nhau. Bước này sử dụng phương pháp học máy và dữ liệu MERRA-2 để điền vào những khoảng trống này, nhằm đảm bảo tính liên tục và đầy đủ của cơ sở dữ liệu.
Sử dụng dữ liệu NSRDB, có thể ước tính lượng năng lượng mặt trời đã có sẵn trong quá khứ tại một thời điểm và vị trí cụ thể; NSRDB cũng đang mở rộng để bao gồm ngày càng nhiều vị trí quốc tế. Bằng cách sử dụng dữ liệu NSRDB dài hạn trong các mô hình khác nhau, có thể dự đoán khả năng cung cấp năng lượng mặt trời trong tương lai tại một vị trí dựa trên điều kiện trong quá khứ.
Với sự chính xác và đầy đủ của mình, NSRDB trở thành một công cụ hữu ích cho các nhà phát triển, kỹ sư điện làm việc trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Bộ dữ liệu này giúp họ đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời, lập kế hoạch và thiết kế hệ thống một cách hiệu quả, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành năng lượng tái tạo quan trọng này.
Với phạm vi bao phủ rộng khắp trên lãnh thổ Hoa Kỳ và các khu vực quốc tế, NSRDB đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin cần thiết cho việc đánh giá, lập kế hoạch và triển khai các dự án năng lượng mặt trời một cách hiệu quả. Sự chính xác, tính toàn diện và khả năng truy cập dễ dàng của bộ dữ liệu này giúp thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp năng lượng tái tạo quan trọng này trên toàn cầu.
Bộ Cơ Sở Dữ liệu Bức Xạ Mặt Trời ERA5
ERA5 là bộ dữ liệu tái phân tích toàn cầu thế hệ mới của Trung tâm Dự báo Thời tiết Trung và Dài hạn Châu Âu (ECMWF). Được cung cấp với độ phân giải không gian cao (khoảng 30 km) và độ phân giải thời gian mỗi giờ, ERA5 mang lại cái nhìn chi tiết và toàn diện về bức xạ mặt trời và các biến số khí tượng khác trên khắp thế giới .
Kỹ thuật dữ liệu bức xạ mặt trời dựa trên tái phân tích trong ERA5 tích hợp một lượng lớn dữ liệu quan sát từ nhiều nguồn khác nhau, từ vệ tinh cho đến mặt đất, bộ đo trên mặt đất, bộ đo trên tàu biển, và máy bay, v.v để tái tạo lại trạng thái khí quyển một cách chính xác. .
Quá trình tính toán dữ liệu ERA5 được thực hiện thông qua các mô hình Dự báo thời tiết bằng số (Numerical Weather Prediction – NWP) tiên tiến. Các mô hình này sử dụng các phương trình vật lý để mô phỏng sự vận động của khí quyển, đại dương và các quá trình địa lý khác trên toàn cầu. Kết quả từ các mô hình NWP sau đó được hiệu chỉnh và tích hợp với dữ liệu quan trắc thực tế từ các trạm khí tượng, nhằm ước tính chính xác các thông số thời tiết cho các khoảng thời gian trong quá khứ.
ERA5, với công nghệ tái phân tích tiên tiến của ECMWF, cung cấp một lượng lớn dữ liệu khí tượng và bức xạ mặt trời với độ phân giải không gian và thời gian cao. Điều này cho phép ERA5 mang lại cái nhìn sâu sắc và chi tiết hơn về điều kiện khí quyển trên toàn cầu, bao gồm cả những khu vực ít được khám phá. Sự tích hợp của dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau và khả năng tái tạo chính xác các mẫu thời tiết lịch sử giúp ERA5 trở thành một công cụ đắc lực trong việc đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời, nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và phát triển các mô hình dự báo thời tiết.
So với SARAH-2 và NSRDB, ERA5 cung cấp một phạm vi dữ liệu rộng hơn và phức tạp hơn. Trong khi SARAH-2 tập trung vào khu vực châu Âu, châu Phi và châu Á với dữ liệu chủ yếu từ vệ tinh METEOSAT, và NSRDB tập trung vào Bắc Mỹ với dữ liệu từ vệ tinh GOES và các nguồn khác, thì ERA5 cung cấp dữ liệu toàn cầu, làm cho nó trở thành nguồn dữ liệu bức xạ mặt trời lý tưởng cho các ứng dụng toàn cầu.
Sự phong phú và chi tiết của dữ liệu ERA5 cũng cho phép các nhà nghiên cứu và nhà phát triển hệ thống điện mặt trời thực hiện các phân tích tinh vi hơn và đưa ra các quyết định tối ưu hơn dựa trên sự hiểu biết sâu rộng về các điều kiện khí tượng và môi trường. Điều này củng cố vị thế của ERA5 như một nguồn dữ liệu quan trọng, không chỉ trong lĩnh vực năng lượng mặt trời mà còn trong nhiều lĩnh vực liên quan đến khí tượng và khí hậu.
Tầm quan trọng của bộ cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời trong phát triển chính sách
Trong ngành năng lượng mặt trời, việc hiểu và chọn lựa cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời phù hợp là một yếu tố then chốt để đảm bảo thành công của dự án. Cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời cung cấp thông tin cần thiết để đánh giá tiềm năng sản xuất năng lượng và tối ưu hóa thiết kế của hệ thống điện mặt trời. Dưới đây là một số lý do tại sao việc hiểu và chọn đúng cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời.
1. Đánh Giá Tiềm Năng Năng Lượng Mặt Trời
Việc chọn cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời chính xác cho phép các nhà thiết kế và kỹ sư xác định lượng năng lượng mặt trời có thể thu được tại một địa điểm cụ thể. Dữ liệu bức xạ mặt trời cho biết số lượng năng lượng mặt trời trung bình hàng ngày hoặc hàng năm có sẵn, điều này là cần thiết để tính toán kích thước và hiệu quả của hệ thống.
2. Thiết Kế Tối Ưu
Thông tin từ cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời giúp xác định vị trí lắp đặt tối ưu cho các tấm pin mặt trời, góc đặt tấm pin, và cấu hình hệ thống. Điều này đảm bảo rằng hệ thống mặt trời được thiết kế để thu được lượng năng lượng tối đa từ ánh sáng mặt trời.
3. Dự Báo và Mô Phỏng Hiệu Suất
Các cơ sở dữ liệu cho phép các nhà phát triển sử dụng mô phỏng để dự đoán hiệu suất của hệ thống điện mặt trời trong điều kiện thời tiết và khí hậu khác nhau. Điều này giúp đánh giá rủi ro và khả năng đầu tư, cũng như tối ưu hóa các chiến lược vận hành và bảo trì.
4. Tăng Hiệu Quả Đầu Tư
Thông tin chính xác về bức xạ mặt trời giúp tính toán chính xác hơn lượng điện năng mà hệ thống có thể sản xuất, từ đó cải thiện tính khả thi của dự án và tối đa hóa lợi nhuận từ đầu tư.
5. Hỗ Trợ Đối với Các Quyết Định Chính Sách
Dữ liệu bức xạ mặt trời còn quan trọng đối với việc phát triển các chính sách và ưu đãi nhằm khuyến khích sự phát triển của năng lượng mặt trời. Các nhà lập pháp có thể sử dụng thông tin này để xác định các khu vực có tiềm năng cao cho các khoản đầu tư năng lượng mặt trời và phát triển hạ tầng hỗ trợ.