VN
EN
1. Đặt vấn đề
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận, là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất. Loài người đã biết tận dụng nguồn năng lượng quý giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta cần quan tâm nghiên cứu.
Ngày nay việc lắp đặt và sử dụng các panel NLMT để phát điện, hâm nước đã trở nên phổ biến ở mọi vùng miền của tổ quốc. Các kỹ thuật và công nghệ mới đã và đang được áp dụng để chế tạo ra các panel có hiệu suất cao hơn và giá thành ngày càng thấp. Bên cạnh đó việc lắp đặt một panel sao cho hiệu quả của nó đạt cao nhất là một vấn đề kinh tế-kỹ thuật cần được giải đáp một cách khoa học.
Một quy tắc phổ biến là khi lắp đặt các bộ thu NLMT thì bề mặt thu phải hướng về phía chính nam hoặc chính bắc (góc phương vị γ = 0 hoặc γ = 180
o
) tùy theo vĩ độ địa lý hay góc lệch của mặt trời so với mặt phẳng xích đạo. Khác với việc xác định hướng, việc xác định góc nghiêng tối ưu cho các bộ thu rất phức tạp vì không những do Trái đất tự quay quanh trục của nó và chuyển động quanh mặt trời theo quỷ đạo e-líp nên vị trí tương đối của Mặt trời so với Trái đất thay đổi tuần hoàn theo thời gian trong ngày và trong năm mà còn phụ thuộc vào cường độ các thành phần bức xạ mặt trời, suất phản chiếu của mặt đất, tọa độ địa lý tại mỗi địa phương...
Do đó việc xác định góc nghiêng tối ưu cho các panel NLMT để nâng cao hiệu quả sử dụng chúng không chỉ là vấn đề lý thuyết đơn thuần mà là một yêu cầu cấp thiết từ thực tiễn.
2. Thiết lập mô hình giải tích
Bài toán xác định góc nghiêng tối ưu
β
opt
cho các panel NLMT trong bài viết này được xây dựng từ các mô hình lý thuyết và thực nghiệm được trình bày trong [1], [2], [3] và số liệu khí tượng quan trắc được trong [4].
Mô hình tác giả sử dụng trong bài báo này thường được biết đến với tên gọi là mô hình bất đẳng hướng (thành phần tán xạ không đồng nhất theo mọi hướng) của Reindl (1990), nhưng không phải hoàn toàn do Reindl xây dựng nên mà là kế thừa từ mô hình đẳng hướng kinh điển của Liu-Jordan (1962) như trình bày dưới đây.
Hình. Minh họa quy ước các góc trong mô hình tính toán
Tổng xạ H
T
chiếu đến một mặt phẳng nghiêng bất kỳ là tổng hợp của ba thành phần: trực xạ H
B
, tán xạ H
D
và thành phần phản xạ từ mặt đất H
R
theo công thức:
(1)
Thành phần trực xạ tính theo mô hình của Liu-Jordan sau khi hiệu chỉnh lại công thức của Hottel-Woertz đưa ra năm 1942 đối với panel ở bán cầu bắc, hướng về xích đạo là:
(2)
(3)
Thành phần tán xạ tính theo mô hình bất đẳng hướng của Reindl được các tác giả trong [2] đánh giá là có độ chính xác cao khi mặt thu quay về hướng nam:
(4)
(5)
Thành phần phản xạ từ mặt đất tính theo mô hình đẳng hướng của Liu-Jordan:
(6)
Các đaị lượng trong các công thức trên là:
H
o
- tổng xạ trung bình của một ngày trong tháng đo được trên mặt bằng, [W/m
2
/ngày];
H
d
- tán xạ trung bình của một ngày trong tháng đo được trên mặt bằng, [W/m
2
/ngày];
Các giá trị H
o
và H
d
trong bài báo này được tác giả lấy theo số liệu thống kê ở trạm Vinh
[4]
như trong bảng dưới đây:
|
Tháng
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
H
o
|
2191
|
2140
|
2732
|
4326
|
6091
|
6176
|
|
H
d
|
1553
|
1667
|
2035
|
2677
|
2781
|
3113
|
|
Tháng
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
H
o
|
6550
|
5751
|
4715
|
3604
|
2747
|
2441
|
|
H
d
|
2903
|
3018
|
2576
|
2138
|
1831
|
1689
|
là trực xạ trung bình ngày của tháng, [W/m
2
/ngày];
(7)
ϕ
-góc vĩ độ, ở TP. Hà Tĩnh lấy bằng +18
o
(vĩ độ Bắc);
δ-góc lệch của mặt trời, là góc lệch giữa đường thẳng nối tâm Trái đất với tâm Mặt trời so với mặt phẳng xích đạo khi Mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương, đơn vị tính là [độ], được xác định theo công thức Cooper (1969) là:
(8)
Trong đó
n
là ngày thứ
n
trong năm, quy ước
n=1
là ngày 1 tháng 1;
là góc giờ mặt trời lặn ứng với mặt bằng và mặt phẳng nghiêng, đơn vị tính là [radian], xác định theo công thức:
(9)
ρ-suất phản chiếu của mặt đất, lấy bằng 0,2
[1,3]
.
β-là góc nghiêng của panel so với mặt bằng với quy ước góc β > 0 khi mặt thu hướng về phía chính Nam, β < 0 khi mặt thu hướng về phía chính Bắc. Tác giả đưa vào dấu trị tuyệt đối trong phương trình (5) chỉ mang tính thuật toán để giảm bớt số lượng phép tính.
Bài toán có thể được phát biểu như sau:
Tìm các giá trị góc nghiêng của mặt thu β
opt
ϵ
[-90
o
,90
o
] để tổng năng lượng bức xạ mặt trời chiếu đến mặt thu
đạt giá trị lớn nhất trong những khoảng thời gian cho trước trong năm.
Vì giá trị đo được của bức xạ mặt trời là trung bình ngày của từng tháng trong năm nên góc lệch của mặt trời trong các công thức trên sẽ được thay bởi giá trị trung bình tháng theo công thức:
(10)
m-là số ngày của tháng thứ
k
trong năm,
, δ
i
tính theo công thức
(8)
cho mỗi ngày trong tháng.
3. Phân tích kết quả và nhận xét
Bảng 1. Các giá trị góc nghiêng tối ưu cho bộ thu phẳng theo từng tháng trong năm
|
Tháng
|
Góc nghiêng β
opt
(độ)
|
Hướng
|
Tổng NL trên mặt thu (MJ/m
2
.tháng)
|
|
1
|
42
|
Nam
|
293,85
|
|
2
|
29
|
Nam
|
232,08
|
|
3
|
17
|
Nam
|
312,68
|
|
4
|
3
|
Nam
|
467,52
|
|
5
|
12
|
Bắc
|
691,73
|
|
6
|
18
|
Bắc
|
693,17
|
|
7
|
16
|
Bắc
|
753,22
|
|
8
|
3
|
Bắc
|
642,56
|
|
9
|
14
|
Nam
|
520,99
|
|
10
|
31.5
|
Nam
|
448,58
|
|
11
|
42
|
Nam
|
357,92
|
|
12
|
46
|
Nam
|
341,54
|
|
Tổng NL trên mặt thu cả năm (MJ/m
2
.năm)
|
5755,85
|
||
Bảng 2. Các giá trị góc nghiêng tối ưu cho bộ thu phẳng theo các mùa trong năm
|
Tháng
|
Góc nghiêng β
opt
(độ)
|
Hướng
|
Tổng NL trên mặt thu (MJ/m
2
.tháng)
|
|
11
12
1
|
43
|
Nam
|
357,83
341,33
293,82
|
|
2
3
4
|
12
|
Nam
|
226,69
312,14
463,14
|
|
5
6
7
|
15
|
Bắc
|
690,87
692,52
753,21
|
|
8
9
10
|
12
|
Nam
|
626,34
520,74
431,18
|
|
Tổng NL trên mặt thu cả năm (MJ/m
2
.năm)
|
5709,83
|
||
Bảng 3. Giá trị góc nghiêng tối ưu cho bộ thu phẳng cố định
|
Tháng
|
Góc nghiêng β
opt
(độ)
|
Hướng
|
Tổng NL trên mặt thu (MJ/m
2
.tháng)
|
|
1
|
6,5
|
Nam
|
258,26
|
|
2
|
222,25
|
||
|
3
|
309,79
|
||
|
4
|
466.80
|
||
|
5
|
664,25
|
||
|
6
|
646,21
|
||
|
7
|
701,04
|
||
|
8
|
636,00
|
||
|
9
|
517,49
|
||
|
10
|
419,28
|
||
|
11
|
313,93
|
||
|
12
|
290,17
|
||
|
Tổng NL trên mặt thu cả năm (MJ/m
2
.năm)
|
5454,47
|
||
Việc lựa chọn phương án lắp đặt thay đổi góc nghiêng theo tháng, theo mùa hay cố định tùy thuộc vào tính thuận lợi và mục đích của người sử dụng. Tuy nhiên cần chú ý rằng với các bộ thu NLMT để hâm nước thường là loại tuần hoàn tự nhiên (không dùng bơm) dựa vào hiệu ứng Si-phông nhiệt trong trường trọng lực, nên các bộ thu kiểu này yêu cầu một góc nghiêng tối thiểu để đảm bảo tuần hoàn tự nhiên và thường được đưa ra trong sổ tay hướng dẫn sử dụng của các nhà sản xuất. Do đó việc lựa chọn góc nghiêng tối ưu phải thỏa mãn yêu cầu này. Còn đối với các tấm pin NLMT hay hệ thống nước nóng tuần hoàn cưỡng bức (dùng bơm) thì không cần để ý tới.
Tuy tác giả đã cố gắng lựa chọn mô hình phù hợp nhưng độ tin cậy của kết quả thu được vẫn phụ thuộc nhiều vào độ tin cậy của số liệu quan trắc thống kê được trong [4]. Sự sai khác về tọa độ địa lý nơi quan trắc bức xạ mặt trời so với tọa tính toán trong mô hình cũng có thể gây ra sai số.
Đồ thị 1. Biến thiên giá trị góc nghiêng tối ưu của các phương án theo 12 tháng trong năm
4. Kết luận
Đồ thị 2. Hiệu quả năng lượng của bộ thu thay đổi theo các phương án lựa chọn góc nghiêng tối ưu
Kết quả phân tích trong bài viết này cho thấy: Nếu thay đổi góc nghiêng của panel theo các giá trị tối ưu từng mùa thì tổng năng lượng bức xạ chiếu đến mặt thu sẽ giảm khoảng 1%, còn nếu đặt bộ thu cố định với góc nghiêng tối ưu thì tổng năng lượng bức xạ chiếu đến bề mặt thu giảm khoảng 5% so với trường hợp thay đổi góc nghiêng của panel theo các giá trị tối ưu từng tháng trong năm (đồ thị 2). Nếu lựa chọn góc nghiêng không phù hợp thì hiệu quả của các panel hay bộ thu có thể giảm đi rất nhiều.
NGUYỄN TRỌNG HÀ -
Nhà máy lọc dầu Dung Quất
Tài liệu tham khảo
[1] Soteris A. Kalogirou: Solar energy engineering processes and systems, Copyright © 2009, Elsevier Inc.
[2] Ali Mohammad Noorian, Isaac Moradi, Gholam Ali Kamali: Evaluation of 12 models to estimate hourly diffuse irradiation on inclined surfaces, Renewable Energy 33 (2008).
[3] John A.Duffie, William A.Beckman: Solar engineering of thermal processes, John Wiley& Sons, Inc,1980.
[4] Quy chuản xây dựng Việt Nam, QCXDVN 02: 2008/BXD.
[5] Hoàng Dương Hùng: Năng lượng Mặt trời –lý thuyết và ứng dụng, NXB KHKT 2007.
4.1.jpg)
