Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu ngày càng tăng về các nguồn năng lượng bền vững, năng lượng mặt trời nổi lên như một giải pháp tiềm năng giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính.
Để tối ưu hóa việc khai thác năng lượng mặt trời, việc hiểu rõ các chỉ số bức xạ mặt trời quan trọng như DNI, DHI, và GHI là vô cùng cần thiết. Những giá trị này không chỉ giúp đánh giá chính xác tiềm năng năng lượng mặt trời của một khu vực cụ thể mà còn đóng vai trò then chốt trong việc thiết kế và vận hành các hệ thống năng lượng mặt trời, từ hệ thống quang điện (PV) đến hệ thống nhiệt điện mặt trời tập trung (CSP).
Bài viết này sẽ phân tích tầm quan trọng của việc hiểu và tính toán các giá trị DNI, DHI, và GHI, từ đó nhấn mạnh vai trò của chúng trong việc phát triển các dự án điện mặt trời hiệu quả và bền vững.
Bức Xạ Tia Trực Tiếp (Direct-Beam Radiation – DNI)
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên quan trọng, và trong đó,DNI đóng vai trò cốt yếu đối với các hệ thống năng lượng mặt trời tập. DNI là phần bức xạ mặt trời đi thẳng đến bề mặt Trái Đất mà không bị phân tán hay hấp thụ bởi khí quyển.
Khác với bức xạ khuếch tán là loại bức xạ bị phân tán bởi các hạt trong khí quyển và đến từ mọi hướng, bức xạ tia trực tiếp đến từ một góc rất hẹp, tập trung chủ yếu từ mặt trời. Điều này làm cho DNI trở thành yếu tố quan trọng đối với các hệ thống năng lượng mặt trời tập, vốn yêu cầu sự tập trung ánh sáng từ mặt trời vào một điểm hoặc một diện tích nhỏ để tạo ra nhiệt hoặc điện năng.
Công thức tính toán bức xạ tia trực tiếp dựa trên góc tới của bức xạ với bề mặt nhận bức xạ. Công thức cơ bản được sử dụng như sau:
IDNI=IB x cosθ
Trong đó:
- IDNI là cường độ bức xạ tia trực tiếp trên bề mặt nhận bức xạ.
- IB là cường độ bức xạ tia trực tiếp vuông góc với tia bức xạ.
- θ là góc tới giữa tia bức xạ và bề mặt nhận bức xạ.
Ứng Dụng Thực Tiễn
1. Hệ thống năng lượng tập chung: Hệ thống này yêu cầu ánh sáng mặt trời tập trung. Do đó, việc xác định chính xác DNI là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối đa. DNI cao nghĩa là có nhiều năng lượng mặt trời trực tiếp, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn.
2. Thiết kế và vận hành nhà máy điện mặt trời: Các kỹ sư sử dụng dữ liệu DNI để thiết kế và tối ưu hóa vị trí và góc nghiêng của các bộ thu năng lượng mặt trời. Điều này đảm bảo rằng các tấm pin hoặc gương phản xạ luôn nhận được lượng ánh sáng mặt trời trực tiếp lớn nhất trong suốt ngày.
3. Mô hình hóa và dự báo năng lượng: Dữ liệu về DNI được sử dụng trong các mô hình khí hậu và dự báo năng lượng mặt trời. Điều này giúp các nhà quản lý năng lượng lập kế hoạch tốt hơn cho việc sử dụng và phân phối năng lượng, đồng thời đánh giá hiệu quả kinh tế của các dự án năng lượng mặt trời.
Bức xạ khuếch tán (Diffuse Horizontal Irradiance – DHI)
Bức xạ khuếch tán là phần ánh sáng mặt trời bị tán xạ hoặc phản xạ nhiều lần trước khi đến bề mặt Trái Đất. Điều này xảy ra do các tương tác giữa bức xạ mặt trời và các phần tử trong khí quyển như bụi, hơi nước, và mây. Khác với bức xạ tia trực tiếp (DNI), bức xạ khuếch tán đến từ mọi hướng trên bầu trời.
Bức xạ khuếch tán trên một bề mặt thu năng lượng mặt trời thường khó ước tính chính xác hơn so với bức xạ tia trực tiếp. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bức xạ khuếch tán, như sự phân tán từ các hạt trong khí quyển và sự phản xạ từ mây. Một mô hình đơn giản giả định rằng bức xạ khuếch tán đến từ mọi hướng với cường độ bằng nhau, tức là bầu trời được xem như là đồng nhất.
Mô hình do Threlkeld và Jordan (1958) phát triển, được sử dụng trong ASHRAE Clear-Day Solar Flux Model, cho rằng bức xạ khuếch tán trên bề mặt ngang IDH tỉ lệ thuận với bức xạ tia trực tiếp IB bất kể vị trí của mặt trời trên bầu trời:
IDHI = C x IB
C là hệ số khuếch tán của bầu trời.
C có thể được ước tính bằng công thức: C = 0.095+0.04Sin(0.986(n−100))
Trong đó n là ngày trong năm.
Áp dụng công thức này cho một ngày trời quang điển hình thường dự đoán rằng khoảng 15% tổng bức xạ ngang sẽ là bức xạ khuếch tán.
Tổng Bức Xạ Mặt Trời Ngang (Global Horizontal Irradiance – GHI)
Tổng bức xạ mặt trời ngang (Global Horizontal Irradiance – GHI) là một trong những chỉ số quan trọng nhất để đo lường và đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời tại một địa điểm cụ thể. GHI bao gồm cả bức xạ trực tiếp từ mặt trời và bức xạ khuếch tán từ bầu trời, đo trên một bề mặt ngang. Đây là yếu tố then chốt trong thiết kế và vận hành các hệ thống năng lượng mặt trời như pin mặt trời và các hệ thống nhiệt mặt trời.
GHI=DNI*cos(SZA)+DHI
SZA (Solar Zenith Angle) là góc thiên đỉnh mặt trời, tức là góc giữa tia sáng mặt trời và đường thẳng đứng tại điểm đo.
SZA=90∘−β
rong đó:
- SZA là góc thiên đỉnh mặt trời.
- β là góc cao của mặt trời.
Mặc dù các công thức tính toán các giá trị này là nền tảng của lĩnh vực năng lượng mặt trời, trong thực tế, các giá trị DNI, DHI, và GHI thường được cung cấp bởi các nhà cung cấp dữ liệu chuyên nghiệp và các trạm đo đạc khí hậu.
Nhờ đó, các kỹ sư và nhà nghiên cứu không cần phải tự tính toán mà có thể sử dụng dữ liệu chính xác từ các nguồn đáng tin cậy để phân tích và triển khai các dự án năng lượng mặt trời một cách hiệu quả hơn. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và đảm bảo tính chính xác cao trong việc sử dụng và khai thác năng lượng mặt trời.