Phương pháp mô phỏng quang học sử dụng Zemax cho việc thiết kế đa cấu hình thu nhận hiệu quả ánh sáng mặt trời phục vụ cho mục đích chiếu sáng và tiết kiệm năng lượng

Hiện nay, việc sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời để chiếu sáng thông minh và tiết kiệm năng lượng là một hướng phát triển rất tiềm năng nhưng còn chưa được trú trọng phát triển tương xứng. Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp để sử dụng hiệu quả công cụ mô phỏng quang học Zemax trong việc giải quyết các vấn đề hiện nay cho việc thu nhận hiệu quả ánh sáng Mặt trời.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phương pháp mô phỏng quang học sử dụng Zemax cho việc thiết kế đa cấu hình thu nhận hiệu quả ánh sáng mặt trời phục vụ cho mục đích chiếu sáng và tiết kiệm năng lượngTẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 23, Số 1 (2023) PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG QUANG HỌC SỬ DỤNG ZEMAX CHO VIỆC THIẾT KẾ ĐA CẤU HÌNH THU NHẬN HIỆU QUẢ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI PHỤC VỤ CHO MỤC ĐÍCH CHIẾU SÁNG VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Trần Thế Vinh Trung tâm Nano và Năng lượng, Dại học Khoa học Tự nhiên – Đại học QGHN Email: tranthevinh@hus.edu.vn Ngày nhận bài: 4/7/2023; ngày hoàn thành phản biện: 14/7/2023; ngày duyệt đăng: 4/12/2023 TÓM TẮT Hiện nay, việc sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời để chiếu sáng thông minh và tiết kiệm năng lượng là một hướng phát triển rất tiềm năng nhưng còn chưa được trú trọng phát triển tương xứng. Đa phần các giải pháp hiện nay gặp cản trở ở quá trình thiết kế cấu hình đáp ứng với việc hướng sáng của Mặt trời tới bề mặt Trái đất thay đổi theo thời gian và vị trí địa lý, thời tiết. Do đó, ở nghiên cứu này đề xuất một phương pháp để sử dụng hiệu quả công cụ mô phỏng quang học Zemax trong việc giải quyết các vấn đề hiện nay cho việc thu nhận hiệu quả ánh sáng Mặt trời. Phương pháp mô phỏng quang học được ứng dụng cho việc thiết kế các dạng cấu hình khác nhau (dạng vòm chia múi, vòm đồng tâm, vòm mắt ruồi). Với đa cấu hình được mô phỏng và khảo sát, kết quả cho thấy độ ổn định và hiệu suất cao (trên 60%) cho việc thu nhận có sự thay đổi mô phỏng theo đặc tính của ánh sáng mặt trời. Từ khóa: năng lượng mặt trời, dẫn sáng, chiếu sáng tự nhiên.I. GIỚI THIỆU Hiện nay xu hướng sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môitrường để thay thế việc sử dụng nhiên liệu hoá thạch ngày càng phổ biến và hiệu quảhơn. Trong đó, năng lượng được sử dụng phổ biến rộng rãi nhất là năng lượng mặt trờihay còn gọi là năng lượng bức xạ mặt trời. Theo tính toán của NASA, mặt trời còn có thểcung cấp năng lượng cho chúng ta trong khoảng 6,5 tỉ năm nữa [1]. Bức xạ mặt trời đaphần được thu nhận thông qua một số hai phương thức chính là chuyển đổi quang –điện và quang – nhiệt mà trong đó mục đích cung cấp điện chiếm tỉ trọng cao nhất. Tiềmnăng của năng lượng mặt trời là rất lớn - mỗi ngày, bề mặt trái đất được hưởng 120.000terawatts (TW) của ánh sáng mặt trời, cao gấp 20.000 lần so với nhu cầu của con ngườitrên toàn thế giới (1TW = 1.000 tỉW) [2] trong khi đem lại những ưu điểm mà các dạng 65Phương pháp mô phỏng quang học sử dụng Zemax cho việc thiết kế đa cấu hình …năng lượng khác không có . Ông Michael Schmela - Giám đốc tình báo thị trường tạiSolarPower Europe, tuyên bố: “Năm 2022 đã đánh dấu sự mở đầu cho thời đại mặt trờitại châu Âu”. Cũng theo ông, năng lượng mặt trời đáp ứng đủ ba chỉ tiêu lý tưởng vềnăng lượng: tính bền vững, khả năng chi trả và an ninh nguồn cung [3,4]. Việt Nam hiện xếp thứ 8 trong top 10 quốc gia có công suất lắp đặt năng lượngmặt trời lớn nhất thế giới với 16,504MW, chiếm 2,3% toàn cầu[5]. Công suất trên đầungười của Việt Nam là 60W/người. Theo số liệu được thông kê ở bảng 1.1, có thể thấytiềm năng nguồn năng lượng sạch này là rất lớn bởi Việt Nam nằm trong vùng nhiệtđới, với trị số tổng bức xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2.năm (4,2 –7,3 GJ/m2 năm) đặtbiệt ở các vùng miền phía nam có nhiều nắng (số giờ nắng từ 1700 – 2600 giờ/năm), cácvùng miền phía bắc có khoảng 1600 – 2000 giờ/năm và các vùng miền trung có khoảngtừ 2000 – 3000 giờ/năm [6]. Bảng 1. Số liệu bức xạ mặt trời tại Việt Nam [6] Vùng khảo sát Giờ nắng trong năm Cường độ BXMT Ứng dụng (kWh/m2, ngày) 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 Việc sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời để chiếu sáng thông minh và tiết kiệmnăng lượng trong nhà hiện nay gặp nhiều hạn chế mà các giải pháp chiếu sáng thôngthường như thông qua cửa sổ, cửa ra vào hoặc cửa mái chưa giải quyết được triệt để.Các hạn chế có thể kể đến như: góc chiếu tới của chùm sáng mặt trời thay đổi theo thờigian trong ngày và vị trí địa lý, khiến cho việc thu nhận để duy trì cường độ chiếu sángổn định gặp khó khăn; hoặc các giải pháp thiết bị thu nhận ánh sáng mặt trời với hiệusuất cao lại đòi hỏi các cơ hệ phức tạp, chi phí cao để bám bắt hướng chiếu của chùmsáng mặt trời dẫn tới khó ứng dụng rộng rãi, thuận tiện trong dân dụng v.v…. Để khắcphục việc ánh sáng mặt trời luôn thay đổi hướng, các giải pháp kỹ thuật trước đây đưara hai phương án nhắm thu nhận ánh mặt trời: • Sử dụng cơ hệ có thể thay đổi hướng một bộ phận theo hướng mặt trời [8,9,10,11] • Sử dụng quang hệ có tính đẳng hướng [12] 66TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 23, Số 1 (2023) Những giải pháp kỹ thuật đi theo hướng sử dụng cơ hệ theo phương ánh sángđòi hỏi nguồn điện để vận hành cơ hệ, đồng thời cũng cần phả ...