Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo đang phát triển nhanh chóng, năng lượng mặt trời nổi bật với tiềm năng lớn và tính ứng dụng ngay lập tức. Tuy nhiên, mặc dù đã có những bước tiến đáng kể về công nghệ, hiệu suất của các hệ thống pin quang điện thường không đạt được kỳ vọng, chủ yếu do việc lắp đặt và định hướng các tấm pin so với vị trí của mặt trời còn chưa tối ưu.
Bài viết này khám phá tầm quan trọng thiết yếu của việc mô hình hóa chính xác vị trí mặt trời nhằm tối ưu hóa việc triển khai các hệ thống pin quang điện. Bằng cách tập trung vào các góc phương vị (azimuth angle) và góc cao β (altitude angle ) của mặt trời, các kỹ sư có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của các tấm pin mặt trời, tối đa hóa sản lượng năng lượng và cải thiện hiệu quả chi phí trong suốt cả ngày.
Tăng hiệu suất Pin mặt trời ứng dụng hệ thống lắp đặt động.
Để tối đa hóa hiệu quả của pin quang điện, việc tối ưu hóa góc đón ánh sáng mặt trời là một yếu tố quan trọng. Các tấm pin cố định không thể điều chỉnh để đối mặt với mặt trời trong suốt cả ngày, dẫn đến việc không tận dụng được hết tiềm năng của ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong những giờ cao điểm khi ánh sáng mặt trời mạnh nhất. Điều này có thể làm giảm đáng kể lượng điện năng sản xuất được từ các hệ thống pin quang điện.
Hệ thống theo dõi mặt trời là giải pháp cho vấn đề này. Chúng bao gồm các cơ cấu có khả năng điều chỉnh độ nghiêng và hướng của tấm pin để luôn hướng về phía mặt trời. Có hai loại hệ thống theo dõi chính: hệ thống theo dõi một trục và hệ thống theo dõi hai trục. Hệ thống theo dõi một trục chỉ điều chỉnh theo một hướng (đông-tây), trong khi hệ thống theo dõi hai trục còn điều chỉnh theo hướng bắc-nam để theo dõi mặt trời theo mùa.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, so với các hệ thống tĩnh, hệ thống theo dõi mặt trời có thể tăng hiệu suất sản xuất điện năng lên đến 25% -35%. Điều này là do hệ thống theo dõi giúp giảm thiểu góc tới của ánh sáng mặt trời so với bề mặt tấm pin, làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.
Xây dựng mô hình định vị vị trí mặt trời.
Việc dự đoán chính xác và phân tích vị trí của mặt trời trên bầu trời là vô cùng quan trọng để thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống năng lượng mặt trời. Việc dự đoán này dựa vào sự hiểu biết về hai góc chính: góc cao β và góc phương vị ϕs. Mỗi góc này đóng một vai trò then chốt trong việc định vị mặt trời và được ảnh hưởng bởi các biến số như vĩ độ và kinh độ địa lý, ngày tháng và thời gian cụ thể trong ngày.
Góc cao β mô tả độ cao của mặt trời so với đường chân trời. Góc này bị ảnh hưởng bởi góc lệch tâm mặt trời δ, vĩ độ của người quan sát L, và giờ H. Độ lệch tâm mặt trời δ thay đổi trong suốt năm khi Trái Đất quay quanh Mặt Trời, do đó ảnh hưởng đến độ cao mặt trời trong các mùa khác nhau.
Phương trình này thể hiện mối tương tác giữa độ nghiêng trục của Trái Đất, vị trí quỹ đạo của nó, và vị trí của người quan sát trên bề mặt Trái Đất.
Góc phương vị của mặt trời (ϕs)
Tối ưu hóa việc đặt các tấm pin mặt trời là một khía cạnh quan trọng của thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và sản lượng năng lượng của các tấm pin. Góc phương vị đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tối ưu hóa này.
Góc phương vị là góc giữa hướng bắc và vị trí của mặt trời tại một thời điểm cụ thể, được đo theo chiều ngang trên đường chân trời. Bằng cách hiểu rõ đường đi của mặt trời và góc phương vị trong suốt cả ngày và năm, các kỹ sư có thể thiết kế hệ thống pin mặt trời sao cho hướng trực diện với mặt trời càng nhiều càng tốt, tối đa hóa việc thu nắng và sản xuất năng lượng.
Góc Phương Vị và Hướng Đặt Pin Mặt Trời rất quan trọng để xác định hướng đặt tốt nhất cho các tấm pin mặt trời. Ở Bắc Bán Cầu, các tấm pin mặt trời nên hướng về phía nam chính xác, trong khi ở Nam Bán Cầu, chúng nên hướng về phía bắc chính xác để thu được nhiều ánh sáng mặt trời nhất trong suốt cả năm. Góc phương vị tối ưu cho các tấm pin mặt trời thường được thiết lập để tối đa hóa sản lượng năng lượng hàng năm thay vì hàng giờ, điều này sẽ yêu cầu một hệ thống theo dõi mặt trời.
Góc phương vị được tính toán như sau:
Trái Đất quay một vòng đầy đủ là 360∘ trong 24 giờ, tức là mỗi giờ nó quay được 15∘. Góc giờ, ký hiệu là H, được tính bằng cách nhân số giờ trước giờ Mặt Trời đạt đỉnh (solar noon) với 15∘.
Ví dụ, vào lúc 11:00 A.M. theo giờ Mặt Trời, góc giờ H sẽ là +15∘ vì Trái Đất cần quay thêm 15∘ nữa, tức là 1 giờ nữa, để đến giờ Mặt Trời đạt đỉnh. Còn vào buổi chiều, góc giờ sẽ có giá trị âm, chẳng hạn vào lúc 2:00 P.M. Theo giờ Mặt Trời, góc giờ H sẽ là −30∘ vì đã qua giờ Mặt Trời đạt đỉnh 2 giờ, tương đương với việc Trái Đất đã quay được 30∘ sau giờ đỉnh.
Nếu muốn tính góc giờ từ 1:00 A.M. theo giờ Mặt Trời, làm như sau:
1:00 A.M.: Đây là 11 giờ trước giờ Mặt Trời đạt đỉnh. Vậy góc giờ H sẽ là:
H=11×15∘=+165∘
Để tính góc giờ vào lúc 6:00 P.M. theo giờ Mặt Trời, làm như sau:
6:00 P.M.: Đây là 6 giờ sau giờ Mặt Trời đạt đỉnh. Vậy góc giờ H sẽ là:
H=−6×15∘=−90∘
Hơn nữa, vào mùa xuân và mùa hè, đặc biệt vào buổi sáng sớm và chiều muộn, góc phương vị mặt trời có thể lệch đáng kể so với hướng nam, dẫn đến những phức tạp trong việc tính toán góc phương vị chính xác. Vấn đề này được giải quyết bởi công thức:
Các phương trình này cung cấp cho phép các kỹ sư dự đoán vị trí mặt trời với độ chính xác cao, điều này rất quan trọng cho việc đặt và định hướng tối ưu các tấm pin mặt trời. Những tính toán này không chỉ tối đa hóa hiệu quả của các hệ thống năng lượng mặt trời mà còn góp phần sử dụng năng lượng mặt trời một cách bền vững và hiệu quả.
Hãy tính góc cao của mặt trời tại tỉnh Bà rịa vũng tàu với vĩ độ 10.3 vào lúc 3P.M vào ngày 21tháng 6 với δ = 23.45.
Giải pháp
Góc giờ mặt trời H = 15 x (-3) = -45
Tính góc cao mặt trời: sinβ = cosL x cosδ x cosH + sinL x sinδ
Cos10.3∘ x cos23.45∘ x cos(-45∘) + sin10.3∘ sin23.45∘
= 0.9848 x 0.9171 x 0.7071 + 0.1789 x 0.4014 = 0.7083
Vậy góc cao của mặt trời tại tỉnh bà rịa vũng tàu lúc 3P.M ngày 21 tháng 6 sẽ là:
β=sin−1(0.7083)≈44.9∘