Cường độ bức xạ mặt trời và cách đo

Trước khi nói về sự tập trung ánh sáng cho những mục đích thực tế, chúng ta nên xem lại những loại bức xạ tự nhiên nào có sẵn cho chúng ta và cách xác định và đo lường bức xạ đó.

Hằng số mặt trời

Phần dòng năng lượng do mặt trời phát ra và bị trái đất chặn lại được đặc trưng bởi hằng số mặt trời . Hằng số mặt trời được định nghĩa về cơ bản là thước đo mật độ dòng năng lượng mặt trời vuông góc với hướng tia trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian. Nó được đo chính xác nhất bởi các vệ tinh bên ngoài bầu khí quyển trái đất. Hằng số mặt trời hiện được ước tính là 1361 W/m ². Con số này thực sự thay đổi 3% vì quỹ đạo của trái đất có hình elip và khoảng cách đến mặt trời thay đổi trong suốt cả năm. Một số biến thể nhỏ của hằng số mặt trời cũng có thể xảy ra do sự thay đổi độ sáng của Mặt trời. Giá trị đo được này bao gồm tất cả các loại bức xạ, một phần đáng kể trong số đó bị mất khi ánh sáng truyền qua khí quyển.

Những biến đổi trong khí quyển

Khi bức xạ mặt trời đi qua bầu khí quyển, nó sẽ bị hấp thụ, phân tán, phản xạ hoặc truyền đi. Tất cả các quá trình này dẫn đến giảm mật độ dòng năng lượng. Trên thực tế, mật độ thông lượng mặt trời giảm khoảng 30% so với thông lượng bức xạ ngoài Trái đất vào ngày nắng và giảm tới 90% vào ngày nhiều mây. Những tổn thất chính sau đây cần được lưu ý:

• Được hấp thụ bởi các hạt và phân tử trong khí quyển – 10-30%
• Phản xạ và tán xạ trở lại không gian – 2-11%
• Tán xạ xuống trái đất (bức xạ trực tiếp trở nên khuếch tán) – 5-26%

Kết quả là bức xạ trực tiếp tới bề mặt trái đất (hoặc một thiết bị lắp đặt trên bề mặt trái đất) không bao giờ vượt quá 83% dòng năng lượng ngoài trái đất ban đầu. Bức xạ phát ra trực tiếp từ đĩa mặt trời này được định nghĩa là bức xạ chùm tia. Bức xạ tán xạ và phản xạ được gửi đến bề mặt trái đất từ ​​mọi hướng (phản xạ từ các vật thể, phân tử, hạt, giọt, v.v.) khác) được định nghĩa là bức xạ khuếch tán . Tổng của các thành phần chùm tia và khuếch tán được định nghĩa là bức xạ tổng (hoặc toàn cục) .

Điều quan trọng là chúng ta phải phân biệt giữa bức xạ chùm tia và bức xạ khuếch tán khi nói về nồng độ mặt trời trong bài học này, vì bức xạ chùm tia có thể tập trung, trong khi bức xạ khuếch tán, trong nhiều trường hợp, thì không thể. Đối với vấn đề đó, hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng bộ thu tập trung sẽ hoạt động tốt nhất ở những nơi có nắng và có thể không khả thi ở những nơi có nhiều mây và thời tiết thay đổi. 

Số liệu bức xạ mặt trời

Hãy xem xét các số liệu sau đây thường được sử dụng để báo cáo dữ liệu về tài nguyên mặt trời (bức xạ). Những giá trị này có thể được xác định từ các phép đo hiện trường hoặc từ các mối tương quan thực nghiệm.  

Số liệu bức xạ mặt trời
Hệ mét	Sự định nghĩa	Nguồn dữ liệu	Dụng cụ
DNI	Bức xạ bình thường trực tiếp (W/m 2 )	Đo trên bề mặt vuông góc với chùm tia	Pyrheliometer
DHI	Bức xạ khuếch tán ngang (W/m 2 ) (cũng có thể được ký hiệu là DIFF)	Đo trên bề mặt ngang	Pyranometer
GHI	Bức xạ ngang toàn cầu (W/m 2 ) – bao gồm cả thành phần chùm tia và thành phần khuếch tán	Đo trên bề mặt ngang	Pyranometer

Về mặt lý thuyết, ba số liệu này có liên quan với nhau:

GHI = DNI  × cos θ z  + DHI       (θ z = góc thiên đỉnh mặt trời) 

Tuy nhiên, trong thực tế các phép đo hiện trường có thể hơi khác so với mối quan hệ này. 

Tệp dữ liệu tài nguyên mặt trời điển hình (Năm Khí tượng Điển hình hoặc TMY ) sẽ bao gồm tất cả các số liệu này được đo cho một vị trí cụ thể cho từng giờ cho mỗi ngày trong một năm. Lưu ý rằng các giá trị này (được đo bằng W/m ² ) biểu thị thông lượng mặt trời tức thời, tất nhiên sẽ thay đổi trong ngày. Vào buổi sáng và buổi tối, cường độ bức xạ sẽ thấp hơn nhưng thường đạt cực đại vào khoảng giữa trưa nắng. Nếu có mây hoặc các hiện tượng thời tiết khác, bức xạ sẽ tạm thời giảm xuống.

Các đồ thị dưới đây cho bạn một ví dụ về phương sai đó. Dữ liệu GHI, DNI và DHI được vẽ cho ngày 21 tháng 3 (điểm phân) ở Orlando, Hoa Kỳ. Mặc dù hôm nay có vẻ là một ngày tương đối nắng (thành phần chùm tia rõ ràng chiếm ưu thế so với khuếch tán, đạt ~900 W/m ² ), nhưng có một số gián đoạn nhỏ (có thể do mây) đối với mặt cắt này.

Hồ sơ hàng ngày về các loại bức xạ mặt trời khác nhau ở Orlando, FL, vào ngày 21 tháng 3 – được trích từ tệp thời tiết TMY. 

Các tệp TMY với tất cả các số liệu này được cung cấp mỗi ngày cho các vị trí khác nhau trên toàn cầu được cung cấp công khai từ cơ sở dữ liệu NSRDB. 

Bản đồ năng lượng mặt trời

Dữ liệu GHI cũng được sử dụng để tạo bản đồ tài nguyên năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, các giá trị tức thời của bức xạ toàn cầu không phải là tốt nhất cho việc lập bản đồ do tính biến thiên liên tục của chúng. Thay vào đó, GHI được tích hợp để xác định lượng bức xạ trung bình hàng ngày (tổng năng lượng từ bầu trời).

Hãy nhìn lại biểu đồ GHI (đường cong màu xanh ở trên) – về cơ bản, tổng năng lượng hàng ngày này sẽ bằng diện tích dưới đường cong bức xạ! Tổng giá trị bức xạ hàng ngày này (được đo bằng kWh/m ² /ngày) có thể liên quan tốt hơn đến tổng năng lượng được chuyển đổi và phân phối bởi hệ mặt trời của bạn. Theo nghĩa thực tế, đây là một thước đo trực quan hơn để lập bản đồ.

Ngoài ra, đừng quên những thay đổi theo mùa. Bức xạ mặt trời hàng ngày sẽ cao hơn một cách dễ hiểu trong những tháng mùa hè và thấp hơn trong những tháng mùa đông. Do đó, bản đồ dưới đây dựa trên giá trị trung bình hàng năm của bức xạ hàng ngày.

Sóng ngắn và sóng dài

Bức xạ sóng ngắn , có bước sóng từ 0,3 đến 3 μm, đến trực tiếp từ mặt trời. Nó bao gồm cả các thành phần chùm tia và khuếch tán.

Bức xạ sóng dài , có bước sóng 3 μm hoặc dài hơn, bắt nguồn từ các nguồn ở nhiệt độ gần bằng nhiệt độ môi trường xung quanh – khí quyển, bề mặt trái đất, bộ thu ánh sáng, các vật thể khác.

Bức xạ mặt trời tới trái đất rất khác nhau và phụ thuộc vào trạng thái của khí quyển tại một địa điểm cụ thể. Hai quá trình khí quyển có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự chiếu xạ tới: tán xạ và hấp thụ .

Sự tán xạ được gây ra bởi sự tương tác của bức xạ với các phân tử, nước và các hạt bụi trong không khí. Lượng ánh sáng bị tán xạ phụ thuộc vào số lượng hạt trong khí quyển, kích thước hạt và tổng khối lượng không khí mà bức xạ đi qua.

Sự hấp thụ xảy ra khi bức xạ tương tác với một số phân tử nhất định, chẳng hạn như ozon (hấp thụ bức xạ sóng ngắn – tia cực tím), hơi nước và carbon dioxide (hấp thụ bức xạ sóng dài – hồng ngoại).

Do những quá trình này, trong toàn bộ quang phổ bức xạ mặt trời, chỉ một phần nhỏ chạm tới bề mặt trái đất. Do đó, hầu hết tia X và các bức xạ sóng ngắn khác bị hấp thụ bởi các thành phần khí quyển trong tầng điện ly, tia cực tím bị hấp thụ bởi ozon và bức xạ sóng dài không nhiều bị hấp thụ bởi CO2. Do đó, phạm vi bước sóng chính được xem xét cho các ứng dụng năng lượng mặt trời là từ 0,29 đến 2,5 μm [Duffie và Beckman, 2013].

Hệ số truyền

Ảnh hưởng của sự tán xạ và hấp thụ bức xạ thay đổi theo thời gian trong ngày (do sự thay đổi của khối không khí mà chùm tia đi qua) và theo mùa theo thời gian trong năm. Do đó, bức xạ chùm tia thực tế trên bề mặt có thể được ước tính theo kinh nghiệm bằng cách sử dụng một tập hợp các thông số khí quyển và hình học Mặt trời-Trái đất.

Phương pháp của Hottel (Hottel 1976) mô tả chùm bức xạ truyền qua khí quyển trong điều kiện “bầu trời quang đãng” sử dụng hệ số truyền qua khí quyển.

G _bn = τ _b × G _trên

Trong đó G _bn là bức xạ chùm tia vuông góc với bề mặt nhận, G _on là bức xạ ngoài trái đất (hằng số mặt trời trong trường hợp chung) và τ _b là độ truyền qua của chùm tia.

Giá trị độ truyền qua có thể được đánh giá bằng mô hình của Hottel bằng cách sử dụng góc và độ cao thiên đỉnh mặt trời cho một số chế độ khí hậu khác nhau. Hoặc, nó có thể được xác định bằng cách đo trực tiếp bức xạ chùm tia trên bề mặt bình thường.

Dụng cụ đo bức xạ mặt trời

Lượng bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất có thể được đo bằng công cụ và các phép đo chính xác rất quan trọng để cung cấp dữ liệu mặt trời cơ bản cho các ứng dụng chuyển đổi năng lượng mặt trời.

Dưới đây là những loại dụng cụ quan trọng nhất để đo bức xạ mặt trời:

1. Pyrheliometerđược sử dụng để đo bức xạ chùm tia trực tiếp ở tần số bình thường. Có nhiều loại máy đo khác nhau. Theo Duffie và Beckman (2013), hỏa kế kế đĩa bạc Abbot và hỏa kế bù Angstrom là những thiết bị tiêu chuẩn cơ bản quan trọng. Máy đo nhiệt độ tần suất bình thường (NIP) của Eppley là một công cụ phổ biến được sử dụng để đo lường thực tế ở Hoa Kỳ, còn máy đo độ nhạy Kipp và Zonen được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu. Cả hai thiết bị này đều được hiệu chuẩn theo các phương pháp tiêu chuẩn cơ bản.

Dựa trên thiết kế của chúng, các thiết bị được liệt kê ở trên đo bức xạ chùm tia đến từ mặt trời và một phần nhỏ bầu trời xung quanh mặt trời. Dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến nhiều thiết kế nhiệt kế khác nhau, sự đóng góp của bầu trời tròn vào chùm tia là tương đối không đáng kể vào một ngày nắng với bầu trời quang đãng. Tuy nhiên, bầu trời mờ ám hoặc mây che phủ mỏng đồng đều sẽ phân phối lại bức xạ sao cho sự đóng góp của bầu trời quanh hệ mặt trời vào phép đo có thể trở nên quan trọng hơn.

2. Pyranometerđược sử dụng để đo tổng bức xạ bán cầu – chùm tia cộng khuếch tán – trên bề mặt nằm ngang. Nếu bị bóng mờ, nhiệt kế sẽ đo bức xạ khuếch tán. Hầu hết dữ liệu tài nguyên năng lượng mặt trời đều đến từ nhiệt kế. Tổng bức xạ (W/m ² ) đo được trên bề mặt nằm ngang bằng nhật xạ kế được biểu thị như sau:

Itot=Ibeamcosθ+Idiff

Trong đó θ là góc thiên đỉnh (tức là góc giữa tia tới và pháp tuyến với mặt phẳng dụng cụ nằm ngang.

Ví dụ về nhật xạ kế là nhiệt kế đen trắng Eppley 180 ^o hoặc Eppley ở Hoa Kỳ và nhật xạ kế Moll-Gorczynsky ở Châu Âu. Những dụng cụ này thường được hiệu chuẩn theo nhiệt kế kế tiêu chuẩn. Có máy đo nhiệt độ với đầu dò cặp nhiệt điện và đầu dò quang điện. Lý tưởng nhất là các máy dò phải độc lập với bước sóng của quang phổ mặt trời và góc tới. Nhiệt kế cũng được sử dụng để đo bức xạ mặt trời trên các bề mặt nghiêng, điều này rất quan trọng để ước tính đầu vào cho bộ thu. Việc hiệu chuẩn pyranometer phụ thuộc vào góc nghiêng, do đó cần có dữ liệu thực nghiệm để diễn giải các phép đo.

3. Máy ghi ánh nắng quang điện. Bức xạ mặt trời tự nhiên nổi tiếng là không liên tục và có cường độ khác nhau. Bức xạ mạnh nhất tạo ra khả năng tập trung và chuyển đổi cao nhất là ánh nắng chói chang, có thành phần chùm tia lớn. Ví dụ, thời gian của ánh nắng chói chang tại một địa điểm được đo bằng máy ghi ánh nắng quang điện. Thiết bị này có hai tế bào quang điện selen, một tế bào được che bóng và tế bào còn lại tiếp xúc với bức xạ mặt trời có sẵn. Khi không có chùm tia bức xạ, tín hiệu đầu ra từ cả hai ô là tương tự nhau, trong khi dưới ánh nắng chói chang, chênh lệch tín hiệu giữa hai ô được tối đa hóa. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để theo dõi số giờ nắng chói chang.

Giải thích chi tiết hơn về cách thức hoạt động của các thiết bị này và loại dữ liệu thu được từ các phép đo đó có trong cuốn sách Duffie và Beckman (2013) sau đây, được đề cập dưới đây. Hãy dành chút thời gian để có được kiến ​​thức cơ bản về dữ liệu tài nguyên năng lượng mặt trời. Đối với tất cả những người đã sử dụng EME 810 và ít nhiều quen thuộc với chủ đề này, đây vẫn có thể là một thông tin bổ ích hữu ích.

Dữ liệu bức xạ mặt trời được thu thập thông qua các phương pháp công cụ nêu trên cung cấp cơ sở để phát triển bất kỳ dự án năng lượng mặt trời nào. Chúng ta có thể tóm tắt các loại dữ liệu tài nguyên mặt trời như sau:

Xem thêm: Cường độ bức xạ mặt trời Việt Nam

Xem thêm: Các phép đo bức xạ mặt trời cho các ứng dụng năng lượng mặt trời