Mặt trời quay quanh quỹ đạo trái đất (lấy trái đất làm chuẩn), do đó hướng của tia sáng mặt trời đối với mặt phẳng trái luôn luôn thay đổi theo thời gian.
Theo Stine và Harrigan (1985), quan hệ giữa vector tia sáng mặt trời và tâm của trái đất được biểu diễn như sau (hình 2.12):
- 30-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.12. Mô tả các góc chiếu sáng [2]
CM,CE, CP tương ứng là 3 trục đi qua tâm của trái đất và lần lượt hướng về đường kinh tuyến gốc, hướng Đông và trục thẳng đứng. Vector xác định vị trí của mặt trời S được xác định dựa vào ma trận sau:
S = M M E P S S S = os os os sin sin c c c
Trong đó góc quay theo giờ, là góc lệch mặt trời
Khi lắp đặt một hệ thống cụ thể tại một vị trí nào đó trên bề mặt trái đất ta có sơ đồ xác định các góc như sau (hình 2.13):
- 31-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi đó vecto xác định vị trí của mặt trời được xác định theo công thức:
S’ = os os Cos V H R S Sin S C Sin S C (1)
Trong đó là góc nâng, là góc nghiêng của dàn so với mặt phẳng nằm ngang.
Mặt khác ta có góc vĩ độ
=
Góc quay quanh 3 trục lần lượt được xác định như sau:
=
Góc quay quanh trục Z
=
Góc quay quanh trục R’:
- 32-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
=
Góc quay quanh trục H:
=
Từ đó ta xác định được phương của tia sáng mặt trời đối với một điểm trên mặt phẳng nghiêng:
Thay các công thức đã biết ở trên, ta được:
Góc nghiêng của dàn:
Từ đó ta tính được góc tới của tia sáng mặt trời:
2
và góc nghiêng của dàn arcsin
Những giá trị ở trên là những giá trị tổng quát trong tất cả các trường hợp điều khiển hệ thống.
- 33-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi xét trường hợp cụ thể, điều khiển giàn quay theo góc phương vị
và góc nâng ( . Từ đó góc và góc sẽ tính được như sau:
Hoặc
Hình 2.14. Mô tả góc nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó
Hình 2.14 mô tả góc nghiêng của trục trái đất so với mặt phẳng quỹ đạo trái
đất một góc 23,50, chính góc nghiêng này đã tạo ra các mùa trong năm. Ở nước
ta, đông chí diễn ra vào khoảng ngày 21 tháng 12, hạ chí diễn ra vào ngày 21 tháng 6, xuân phân xảy ra vào ngày 20 tháng 3 và thu phân diễn ra vào ngày 23 tháng 9.
Từ những phân tích và các kết quả nêu trên, cho thấy hệ thống năng lượng mặt trời xoay tự động có khả năng tạo ra hiệu suất cao hơn nhiều so với hệ thống
- 34-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
cố định. Cụ thể, hệ thống xoay quanh 2 trục cho hiệu suất cao hơn 41,3% so với hệ cố định. Bởi vì chúng có lắp đặt hệ thống xác định phương hướng của mặt trời, do đó làm tăng thêm 62% năng lượng điện đầu ra vào những ngày có nắng. Lượng tiêu thụ năng lượng của bộ điều khiển không đáng kể. Điều này khẳng định tính thiết thực của kết quả chọn lựa mô hình hệ thống pin mặt trời xoay tự động để lắp đặt tại nước ta.
Ở Việt Nam, hiện nay rất ít nhà khoa học quan tâm vấn đề này. Hình 2.15 là một mô hình dàn pin tự xoay do một bạn sinh viên tại trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, thiết kế và chế tạo. Dàn pin này được điều khiển theo thời gian, 15 phút quay một lần, bằng góc quay của mặt trời trong khoảng thời gian đó.
Hình 2.15. Dàn pin xoay theo một trục
Ở Hồ Chí Minh, một người dân đẫ chế tạo một bếp sử dụng năng lượng mặt trời tự xoay (hình 2.16) (theo báo khoa học cho nhà nông đang ngày 10/07/2008).
- 35-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.16. Bếp thu năng lượng mặt trời tự xoay
Với hai kiểu dàn quay của hai tác giả trên, nhược điểm của nó là không có góc nghiêng ban đầu nên chỉ phù hợp để lắp ở những vị trí có vĩ độ thấp (gần xích đạo). Hơn nữa, điều khiển tuyến tính không thích hợp trong trường hợp này (khi không có mặt trời dàn vẫn xuay, làm tiêu hao năng lượng thu được của dàn).
Tìm ra một hướng mới để giải quyết vấn đề trên, đó là thiết kế, chế tạo kiểu dàn quay có thể lắp ở những vĩ độ khác nhau bằng cách tạo góc nghiêng ban đầu cho dàn quay theo một quy chuẩn khoa học. Điều khiển dàn quay không phụ thuộc vào thời gian mà chỉ phụ thuộc vào hướng của tia sáng mặt trời.
Căn cứ vào những kết quả nghiên cứu của các tác giả trên, căn cứ vào vị trí địa lí ở Việt Nam, căn cứ vào khả năng của bản thân. Tác giả mạnh dạng lựa
chọn phương án thiết kế là kiểu dàn pin tự xoay quanh một trục có góc nghiêng
ban đầu được điều khiển thích nghi.
Do dàn điều khiển thích nghi nên góc tới của tia mặt trời được xác định bằng cảm biến, góc nghiêng của dàn được xác định bằng góc vị độ tại vị trí đặt dàn.
Dàn được thiết kế lắp tại tỉnh Thừa Thiên Huế nên góc nghiêng theo vĩ độ
- 36-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
= 16,50
Trong trường hợp nếu dàn được thiết kế lắp ở thành phố Thái Nguyền:
= 21,560
2.4. Kết luận
Trong chương này đã tìm hiểu tình hình sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam, mức độ cũng như các kiểu khai thác. Phân tích một số kiểu dàn pin hiện có trên thế giới, ưu nhược điểm của từng kiểu quay, một số giải pháp quay mà các nhà nghiên cứu đang quan tâm. Tìm hiểu mức độ áp dụng dàn quay tại Viêt Nam, từ đó lựa chọn cho mình một kiểu dàn quay để nghiên cứu, thiết kê.
- 37-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chương 3