Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là năng lượng tái tạo. Với tiềm năng to lớn, việc tận dụng bức xạ mặt trời không chỉ giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Bức xạ Mặt Trời là gì?
Bức xạ mặt trời thường được gọi là tài nguyên mặt trời hay ánh sáng mặt trời, đây là một thuật ngữ chung để chỉ bức xạ điện từ do mặt trời phát ra. Bức xạ mặt trời có thể được thu nhận và biến thành các dạng năng lượng hữu ích, chẳng hạn như nhiệt và điện, sử dụng nhiều công nghệ khác nhau. Tuy nhiên, tính khả thi về mặt kỹ thuật và hoạt động kinh tế của các công nghệ này tại một địa điểm cụ thể phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời sẵn có.
Cường độ bức xạ mặt trời là gì?
Cường độ bức xạ mặt trời là lượng năng lượng mặt trời chiếu xuống một đơn vị diện tích trên bề mặt Trái Đất trong một khoảng thời gian nhất định. Đơn vị đo bức xạ mặt trời hay cường độ bức xạ mặt trời thường bằng Watt trên mét vuông (W/m²) hoặc kWh/m²/ngày. Cường độ bức xạ thay đổi tùy theo vị trí địa lý, thời gian trong ngày, mùa trong năm và điều kiện khí quyển như mây, bụi và độ ẩm không khí.
Nguyên tắc về hướng và lượng tia xạ mặt trời
Mọi vị trí trên Trái đất đều nhận được ánh sáng mặt trời ít nhất một phần trong năm. Lượng bức xạ mặt trời chiếu tới bất kỳ điểm nào trên bề mặt Trái đất thay đổi theo:
- Vị trí địa lý
- Thời gian trong ngày
- Mùa
- Cảnh quan địa phương
- Thời tiết địa phương.
Vì Trái đất hình cầu nên mặt trời chiếu xuống bề mặt ở các góc khác nhau, từ 0 ° (ngay phía trên đường chân trời) đến 90 ° (trực tiếp trên cao). Khi tia sáng Mặt trời chiếu thẳng đứng, bề mặt Trái đất nhận được tất cả năng lượng có thể. Các tia sáng mặt trời càng nghiêng, chúng di chuyển qua bầu khí quyển càng lâu, trở nên phân tán và khuếch tán hơn. Bởi vì Trái đất hình tròn nên các vùng cực lạnh giá không bao giờ có mặt trời cao, và do trục quay nghiêng nên các vùng này không nhận được mặt trời nào trong suốt cả năm.
Quỹ đạo cũng ảnh hưởng tới bức xạ mặt trời
Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip và gần mặt trời hơn trong một phần của năm. Khi mặt trời ở gần Trái đất hơn, bề mặt Trái đất nhận thêm một ít năng lượng mặt trời. Trái đất gần mặt trời hơn khi mùa hè ở Nam bán cầu và mùa đông ở Bắc bán cầu. Tuy nhiên, sự hiện diện của các đại dương rộng lớn sẽ điều chỉnh mùa hè nóng hơn và mùa đông lạnh hơn mà người ta mong đợi sẽ thấy ở Nam bán cầu là kết quả của sự khác biệt này.
Độ nghiêng 23,5 ° trong trục quay của Trái đất là một yếu tố quan trọng hơn trong việc xác định lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào Trái đất tại một vị trí cụ thể. Nghiêng dẫn đến số ngày dài hơn ở bán cầu bắc từ điểm phân mùa xuân (tiết) đến điểm phân mùa thu (mùa thu) và ngày dài hơn ở bán cầu nam trong 6 tháng còn lại. Ngày và đêm đều dài chính xác 12 giờ trên điểm phân, xảy ra hàng năm vào hoặc khoảng ngày 23 tháng 3 và ngày 22 tháng 9.
Nhiều quốc gia trên trái đất nằm ở vĩ độ trung bình, nhận được nhiều năng lượng mặt trời hơn vào mùa hè không chỉ vì ngày dài hơn, mà còn vì mặt trời gần như ở trên cao. Các tia nắng mặt trời nghiêng nhiều hơn trong những tháng mùa đông.
Sự quay của Trái đất cũng là nguyên nhân dẫn đến sự biến đổi hàng giờ của ánh sáng mặt trời. Vào lúc sáng sớm và chiều muộn, trên bầu trời thấp thoáng nắng. Các tia sáng của nó đi xuyên qua bầu khí quyển xa hơn vào buổi trưa, khi mặt trời ở điểm cao nhất. Vào một ngày quang đãng, lượng năng lượng mặt trời lớn nhất đến bộ thu năng lượng mặt trời vào khoảng giữa trưa.
Bức xạ khuếch tán và bức xạ trực tiếp
Khi ánh sáng mặt trời đi qua bầu khí quyển, một số ánh sáng mặt trời bị hấp thụ, phân tán và phản xạ bởi:
- Phân tử không khí
- Hơi nước
- Mây
- Bụi bặm
- Chất ô nhiễm
- Cháy rừng
- Núi lửa
Đây được gọi là bức xạ mặt trời khuếch tán. Bức xạ mặt trời đến bề mặt Trái đất mà không bị khuếch tán được gọi là bức xạ mặt trời chùm trực tiếp . Tổng của bức xạ mặt trời khuếch tán và trực tiếp được gọi là bức xạ mặt trời toàn cầu. Điều kiện khí quyển có thể làm giảm 10% bức xạ chùm tia trực tiếp vào những ngày trời trong, khô ráo và 100% trong những ngày nhiều mây.
Cách đo bức xạ Mặt Trời
Các nhà khoa học đo lượng ánh sáng mặt trời chiếu xuống các địa điểm cụ thể vào các thời điểm khác nhau trong năm. Sau đó, họ ước tính lượng ánh sáng mặt trời chiếu xuống các vùng ở cùng vĩ độ với khí hậu tương tự. Các phép đo năng lượng mặt trời thường được biểu thị bằng tổng bức xạ trên bề mặt nằm ngang, hoặc tổng bức xạ trên bề mặt theo dõi mặt trời.
Dữ liệu bức xạ cho các hệ thống điện mặt trời (quang điện) thường được biểu diễn dưới dạng kilowatt-giờ trên mét vuông (kWh / m 2 ). Các ước tính trực tiếp về năng lượng mặt trời cũng có thể được biểu thị bằng watt trên mét vuông (W / m 2 ).
Dữ liệu bức xạ cho hệ thống sưởi ấm nước và sưởi ấm không gian bằng năng lượng mặt trời thường được biểu thị bằng đơn vị nhiệt Anh trên foot vuông (Btu / ft 2 ).
Phân Phối
Nguồn năng lượng mặt trời rất dồi dào cho các hệ thống quang điện (PV) vì chúng sử dụng cả ánh sáng mặt trời trực tiếp và phân tán. Các công nghệ khác có thể hạn chế hơn. Tuy nhiên, lượng năng lượng được tạo ra bởi bất kỳ công nghệ năng lượng mặt trời nào tại một địa điểm cụ thể phụ thuộc vào mức năng lượng của mặt trời đến nó. Do đó, các công nghệ năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả nhất ở Tây Nam Hoa Kỳ, nơi nhận được lượng năng lượng mặt trời lớn nhất.
Cập nhật cường độ bức xạ các khu vực tại Việt Nam
Theo các nghiên cứu về bức xạ mặt trời trên toàn quốc:
- Khu vực phía Bắc (từ Thừa Thiên – Huế trở ra) có trung bình khoảng 1.800 – 2.100 giờ nắng mỗi năm. Trong đó, các tỉnh Tây Bắc như Lai Châu, Sơn La, Lào Cai và vùng Bắc Trung bộ gồm Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh được đánh giá là có thời gian chiếu nắng nhiều hơn so với các địa phương khác.
- Khu vực phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) ghi nhận số giờ nắng trung bình từ 2.000 – 2.600 giờ mỗi năm, cao hơn khoảng 20% so với các tỉnh phía Bắc. Tại đây, ánh nắng mặt trời hiện diện gần như quanh năm, kể cả trong mùa mưa, đặc biệt ở Nam Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ mặt trời rất dồi dào và có tiềm năng lớn để khai thác.
Việt Nam sở hữu nguồn năng lượng mặt trời phong phú, với cường độ bức xạ trung bình ngày dao động khoảng 3,69 kWh/m2 ở phía Bắc và lên đến 5,9 kWh/m2 ở phía Nam. Mức bức xạ này bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ che phủ của mây và tầng khí quyển, dẫn đến sự khác biệt đáng kể giữa các khu vực.
Bức xạ mặt trời tại khu vực Tây Bắc
Vùng Tây Bắc bao gồm Lai Châu, Điện Biên, Sơn La, Lào Cai, Hòa Bình và Yên Bái. Thời gian nắng cao điểm rơi vào các tháng 4, 5, 9 và 10, trong khi các tháng 6 và 7 thường có lượng mây và mưa nhiều, dẫn đến số giờ nắng giảm. Tổng bức xạ trung bình cao nhất đạt 5,234 kWh/m2/ngày, còn mức trung bình năm vào khoảng 3,489 kWh/m2/ngày. Đặc biệt, những khu vực có địa hình cao trên 1.500m thường có lượng nắng thấp do mây phủ và mưa kéo dài, đặc biệt trong khoảng tháng 6 đến tháng 1 năm sau.
Bức xạ mặt trời tại Bắc bộ và Bắc Trung bộ
Tại Bắc bộ, thời gian nắng nhiều nhất tập trung vào tháng 5. Trong khi đó, ở Bắc Trung bộ, càng đi về phía Nam, thời điểm nắng cao điểm đến sớm hơn, bắt đầu từ tháng 4. Tổng bức xạ cao nhất trong năm ghi nhận vào tháng 5 tại Bắc bộ và tháng 4 tại Bắc Trung bộ. Số giờ nắng thấp nhất xuất hiện vào tháng 2 và 3 (khoảng 2 giờ/ngày), trong khi tháng 5 ghi nhận mức cao nhất (6 – 7 giờ/ngày), duy trì ở mức cao từ tháng 7 trở đi.
Bức xạ mặt trời tại khu vực Trung bộ
Từ Quảng Trị đến Tuy Hòa, thời gian nắng cao điểm tập trung vào giữa năm với khoảng 8 – 10 giờ/ngày. Trung bình từ tháng 3 đến tháng 9, số giờ nắng dao động từ 5 – 6 giờ/ngày, với tổng bức xạ trung bình đạt trên 3,489 kWh/m2/ngày, có ngày lên đến 5,815 kWh/m2/ngày.
Bức xạ mặt trời tại khu vực phía Nam
Tại khu vực này, nắng xuất hiện quanh năm. Trong các tháng 1, 3 và 4, ánh nắng kéo dài từ 7h sáng đến 17h. Cường độ bức xạ trung bình luôn vượt mức 3,489 kWh/m2/ngày. Đặc biệt, khu vực Nha Trang có cường độ bức xạ cao, vượt 5,815 kWh/m2/ngày trong suốt 8 tháng/năm.
Bảng số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền Việt Nam
Bảng tổng hợp Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam
| Vùng | Giờ nắng trong năm | Cường độ BXMT
(kWh/m2, ngày) |
Ứng dụng |
| Đông Bắc | 1600 – 1750 | 3,3 – 4,1 | Trung bình |
| Tây Bắc | 1750 – 1800 | 4,1 – 4,9 | Trung bình |
| Bắc Trung Bộ | 1700 – 2000 | 4,6 – 5,2 | Tốt |
| Tây Nguyên và Nam Trung Bộ | 2000 – 2600 | 4,9 – 5,7 | Rất tốt |
| Nam Bộ | 2200 – 2500 | 4,3 – 4,9 | Rất tốt |
| Trung bình cả nước | 1700 – 2500 | 4,6 | Tốt |
Ta có thể thấy, Việt Nam hiện là nước đang có lượng bức xạ mặt trời rất tốt, đặc biệt là khu vực phía Nam. Lượng bức xạ mặt trời cũng khác nhau giữa các vùng miền và nó cũng phụ thuộc vào từng tháng khác nhau.
Bảng Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của Việt Nam (đơn vị: MJ/m2.ngày)
| Địa phương | Tổng xạ Bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm
(đơn vị: MJ/m2.ngày) |
||||||
| 1
7 |
2
8 |
3
9 |
4
10 |
5
11 |
6
12 |
||
| 1 | Cao Bằng | 8,21
18,81 |
8,72
19,11 |
10,43
17,60 |
12,70
13,57 |
16,81
11,27 |
17,56
9,37 |
| 2 | Móng Cái | 18,81
17,56 |
19,11
18,23 |
17,60
16,10 |
13,57
15,75 |
11,27
12,91 |
9,37
10,35 |
| 3 | Sơn La | 11,23
11,23 |
12,65
12,65 |
14,45
14,25 |
16,84
16,84 |
17,89
17,89 |
17,47
17,47 |
| 4 | Láng (Hà Nội) | 8,76
20,11 |
8,63
18,23 |
9,09
17,22 |
12,44
15,04 |
18,94
12,40 |
19,11
10,66 |
| 5 | Vinh | 8,88
21,79 |
8,13
16,39 |
9,34
15,92 |
14,50
13,16 |
20,03
10,22 |
19,78
9,01 |
| 6 | Đà Nẵng | 12,44
22,84 |
14,87
20,78 |
18,02
17,93 |
20,28
14,29 |
22,17
10,43 |
21,04
8,47 |
| 7 | Cần Thơ | 17,51
16,68 |
20,07
15,29 |
20,95
16,38 |
20,88
15,54 |
16,72
15,25 |
15,00
16,38 |
| 8 | Đà Lạt | 16,68
18,94 |
15,29
16,51 |
16,38
15,00 |
15,54
14,87 |
15,25
15,75 |
16,38
10,07 |
Lượng tổng xạ nhận được sẽ khác nhau ở mỗi vùng miền và ở mỗi tháng. Có thể nhận thấy rằng, các tháng nhận được nhiều nắng hơn là tháng 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10.
Vai trò của cường độ bức xạ mặt trời với hệ thống điện
Cường độ bức xạ mặt trời đóng vai trò quan trọng đối với hệ thống điện, đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Đây là yếu tố quyết định hiệu suất hoạt động của các tấm pin quang điện, ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng điện được tạo ra từ hệ thống điện mặt trời.
- Cường độ bức xạ mặt trời càng cao thì lượng điện năng sản xuất được càng lớn. Khi ánh nắng mạnh, các tấm pin hấp thụ nhiều năng lượng hơn, từ đó tăng hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng. Ngược lại, nếu cường độ bức xạ thấp, như trong điều kiện thời tiết nhiều mây hoặc sương mù, lượng điện tạo ra sẽ giảm đi đáng kể.
- Cường độ bức xạ mặt trời cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất dài hạn của hệ thống điện mặt trời. Nếu một hệ thống được lắp đặt tại khu vực có bức xạ mặt trời ổn định và cao, các thiết bị sẽ hoạt động ở mức tối ưu, giảm hao mòn và tăng thời gian sử dụng. Ngược lại, những khu vực có cường độ bức xạ không ổn định có thể khiến hệ thống hoạt động kém hiệu quả hơn.
- Việc đánh giá cường độ bức xạ mặt trời giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống điện mặt trời. Khi có số liệu chính xác về bức xạ mặt trời tại từng khu vực, kỹ sư có thể tính toán số lượng tấm pin phù hợp, lựa chọn loại biến tần hiệu suất cao và bố trí hệ thống sao cho đạt hiệu quả tối đa.
Cường độ bức xạ mặt trời là một yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả hoạt động của hệ thống điện mặt trời. Việc tận dụng và tối ưu hóa nguồn bức xạ này không chỉ giúp tăng sản lượng điện mà còn đảm bảo tính bền vững và hiệu quả kinh tế trong việc sử dụng năng lượng tái tạo.
Mối quan hệ giữa bức xạ và điện năng lượng mặt trời
Bức xạ mặt trời và điện năng lượng mặt trời có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng ban đầu, trong đó năng lượng từ mặt trời được truyền tải dưới dạng ánh sáng và nhiệt. Điện năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ để chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng sử dụng các tấm pin mặt trời.
Quá trình hoạt động của điện năng lượng mặt trời bắt đầu bằng việc ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin mặt trời. Trong tấm pin, các hạt năng lượng gọi là photon được hấp thụ bởi vật liệu của pin, gây ra sự kích thích và tạo ra dòng điện. Do đó, bức xạ mặt trời cung cấp nguồn năng lượng ban đầu cho quá trình chuyển đổi này.
Tấm pin mặt trời, hay còn gọi là tế bào quang điện, có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng điện tử. Điện năng này sau đó có thể được sử dụng trực tiếp để cung cấp điện cho các thiết bị hoặc được lưu trữ trong các hệ thống pin mặt trời để sử dụng sau này. Như vậy, điện năng lượng mặt trời là kết quả của quá trình chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua sử dụng tấm pin mặt trời.
Bức xạ mặt trời mang lại nhiều lợi ích thiết thực, từ cung cấp năng lượng sạch đến hỗ trợ các ngành công nghiệp và đời sống. Việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững, đồng thời mở ra nhiều cơ hội mới cho tương lai của năng lượng tái tạo.
>>Tham khảo thêm: Chuyển hóa năng lượng là gì? Ví dụ về chuyển hóa năng lượng
