Phân biệt bức xạ GHI, DNI và DHI trong quan trắc năng lượng mặt trời

Trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, bức xạ là một trong những yếu tố quan trọng quyết định khả năng phát điện của hệ thống quang điện (PV). Tuy nhiên, năng lượng mặt trời đến bề mặt Trái Đất không chỉ tồn tại dưới một dạng duy nhất mà bao gồm nhiều thành phần khác nhau, tùy thuộc vào hướng chiếu và quá trình tương tác của ánh sáng với khí quyển.

Trong các hệ thống quan trắc năng lượng mặt trời, ba thông số thường được sử dụng là GHI (Global Horizontal Irradiance), DNI (Direct Normal Irradiance) và DHI (Diffuse Horizontal Irradiance). Mỗi thông số đại diện cho một thành phần bức xạ riêng, có phương pháp đo và ý nghĩa khác nhau trong quá trình đánh giá tiềm năng năng lượng cũng như hiệu suất nhà máy điện mặt trời.

Việc hiểu đúng GHI, DNI và DHI giúp lựa chọn cảm biến phù hợp, thiết kế trạm quan trắc chính xác và khai thác dữ liệu hiệu quả hơn.

Bức xạ mặt trời gồm những thành phần nào?

Khi ánh sáng từ Mặt Trời truyền đến Trái Đất, một phần đi trực tiếp qua khí quyển, một phần bị các phân tử khí, bụi và hơi nước tán xạ theo nhiều hướng. Ngoài ra, bề mặt xung quanh còn có thể phản xạ một phần năng lượng trở lại các bề mặt khác.

Trong quan trắc năng lượng mặt trời, ba thành phần bức xạ cơ bản thường được phân tích gồm:

Bức xạ trực tiếp: Thành phần truyền từ hướng Mặt Trời đến bề mặt đo mà không bị tán xạ đáng kể trên đường truyền.
Bức xạ khuếch tán: Thành phần ánh sáng đã bị tán xạ trong khí quyển và đến từ nhiều hướng trên bầu trời.
Bức xạ phản xạ: Thành phần năng lượng được phản xạ từ mặt đất, công trình hoặc các bề mặt xung quanh.

GHI, DNI và DHI là ba đại lượng dùng để mô tả các thành phần bức xạ trực tiếp và khuếch tán theo những mặt phẳng tham chiếu khác nhau. Trong đó, GHI là tổng bức xạ trên mặt phẳng ngang, DNI đo thành phần trực tiếp theo phương vuông góc với tia nắng, còn DHI đo thành phần khuếch tán trên mặt phẳng ngang.

GHI là gì? Tổng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng ngang

GHI (Global Horizontal Irradiance) là tổng cường độ bức xạ mặt trời nhận được trên một bề mặt nằm ngang. Đây là một trong những thông số phổ biến nhất trong các hệ thống quan trắc khí tượng phục vụ điện mặt trời.

GHI bao gồm hai thành phần chính:

Bức xạ trực tiếp chiếu lên mặt phẳng ngang.
Bức xạ khuếch tán từ bầu trời truyền đến mặt phẳng ngang.

Công thức tính GHI

Mối quan hệ giữa GHI, DNI và DHI được biểu diễn bằng công thức:

GHI = DNI × cos(θz) + DHI

Trong đó:

GHI: Tổng bức xạ trên mặt phẳng ngang, đơn vị W/m².
DNI: Bức xạ trực tiếp trên mặt phẳng vuông góc với tia Mặt Trời, đơn vị W/m².
DHI: Bức xạ khuếch tán trên mặt phẳng ngang, đơn vị W/m².
θz: Góc thiên đỉnh Mặt Trời, là góc giữa phương thẳng đứng và hướng từ vị trí quan sát đến Mặt Trời.

Thành phần DNI được nhân với cosin của góc thiên đỉnh để quy đổi lượng bức xạ trực tiếp về mặt phẳng ngang.

GHI có ý nghĩa gì trong hệ thống điện mặt trời?

GHI thường được sử dụng để đánh giá tổng nguồn bức xạ mặt trời tại một địa điểm. Dữ liệu này có vai trò quan trọng trong các công việc như:

Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời của khu vực.
Phân tích điều kiện bức xạ theo ngày, tháng và năm.
Hỗ trợ dự báo sản lượng điện của các dự án PV.
Đánh giá sự thay đổi của điều kiện thời tiết trong quá trình vận hành.
Phục vụ các mô hình mô phỏng và tính toán năng lượng mặt trời.

Trong nhiều trạm quan trắc, GHI được đo bằng Pyranometer lắp đặt theo phương nằm ngang, tại vị trí có trường nhìn bầu trời phù hợp và hạn chế che bóng.

DNI là gì? Bức xạ mặt trời trực tiếp

DNI (Direct Normal Irradiance) là cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp nhận được trên một bề mặt đặt vuông góc với hướng tia nắng Mặt Trời.

Khác với GHI, DNI chỉ thể hiện thành phần bức xạ trực tiếp, không bao gồm bức xạ khuếch tán từ bầu trời.

Đặc điểm của DNI

DNI phụ thuộc đáng kể vào điều kiện khí quyển và khả năng truyền ánh sáng trực tiếp từ Mặt Trời đến bề mặt Trái Đất.

Khi bầu trời quang đãng, ít mây và ít bụi, DNI thường có giá trị cao. Ngược lại, khi có mây dày, sương mù hoặc lượng aerosol lớn trong khí quyển, thành phần bức xạ trực tiếp có thể suy giảm đáng kể.

Thiết bị đo DNI

DNI thường được đo bằng Pyrheliometer thay vì Pyranometer thông thường.

Pyrheliometer có trường nhìn hẹp, được định hướng trực tiếp về phía Mặt Trời để tiếp nhận thành phần bức xạ trực tiếp. Thiết bị thường được lắp trên hệ thống theo dõi Mặt Trời (Solar Tracker), giúp duy trì hướng đo vuông góc với tia nắng trong quá trình Mặt Trời di chuyển trên bầu trời.

Ứng dụng của DNI

Dữ liệu DNI đặc biệt quan trọng đối với những công nghệ khai thác năng lượng mặt trời dựa trên khả năng hội tụ ánh sáng trực tiếp, chẳng hạn như hệ thống điện mặt trời tập trung CSP (Concentrated Solar Power).

Ngoài ra, DNI còn được sử dụng trong:

Đánh giá tiềm năng bức xạ trực tiếp tại địa điểm triển khai dự án.
Mô phỏng và dự báo sản lượng của hệ thống năng lượng mặt trời tập trung.
Phân tích điều kiện khí quyển và biến động bức xạ trực tiếp.
Đánh giá các mô hình năng lượng mặt trời có sử dụng dữ liệu DNI.

DHI là gì? Bức xạ mặt trời khuếch tán

DHI (Diffuse Horizontal Irradiance) là cường độ bức xạ khuếch tán nhận được trên một bề mặt nằm ngang. Đây là thành phần năng lượng đến từ bầu trời sau khi ánh sáng Mặt Trời bị tán xạ bởi các phân tử khí, hơi nước, bụi và những hạt khác trong khí quyển.

Khác với bức xạ trực tiếp, bức xạ khuếch tán không chỉ đến từ hướng đĩa Mặt Trời mà phân bố trên nhiều vùng của bầu trời.

Đặc điểm của DHI

DHI thường chịu ảnh hưởng bởi trạng thái khí quyển, độ che phủ của mây, độ ẩm và lượng hạt bụi trong không khí.

Trong điều kiện trời nhiều mây, thành phần bức xạ trực tiếp có thể giảm mạnh trong khi bức xạ khuếch tán vẫn đóng góp đáng kể vào tổng bức xạ nhận được.

Đối với hệ thống điện mặt trời, DHI là thông số hữu ích để phân tích khả năng tiếp nhận ánh sáng trong điều kiện không có nắng trực tiếp hoặc khi bầu trời bị che phủ một phần.

Phương pháp đo DHI

DHI có thể được đo bằng Pyranometer đặt nằm ngang, kết hợp với thiết bị che chắn thành phần bức xạ trực tiếp từ Mặt Trời.

Phương pháp này cần sử dụng cơ cấu che nắng phù hợp như hệ thống vòng che (Shading Ring) hoặc thiết bị che chắn được điều khiển theo vị trí Mặt Trời. Trong quá trình đo, cần xem xét phần bầu trời bị che khuất và thực hiện hiệu chỉnh cần thiết theo phương pháp đo được áp dụng.

Ngoài phương pháp đo trực tiếp, DHI cũng có thể được xác định bằng cách lấy GHI trừ đi thành phần DNI đã quy đổi về mặt phẳng ngang, với điều kiện các dữ liệu được đo đồng bộ và có cùng cơ sở thời gian:

DHI = GHI - DNI × cos(θz)

Ứng dụng của DHI trong điện mặt trời

Dữ liệu DHI được sử dụng để:

Phân tích tỷ trọng bức xạ khuếch tán trong tổng bức xạ mặt trời.
Đánh giá điều kiện phát điện khi trời nhiều mây hoặc ánh sáng trực tiếp suy giảm.
Hỗ trợ mô phỏng bức xạ trên mặt phẳng nghiêng của tấm pin.
Phục vụ các mô hình dự báo và đánh giá hiệu suất hệ thống PV.

So sánh GHI, DNI và DHI

Mặc dù đều được biểu diễn bằng đơn vị W/m², ba thông số này đại diện cho những thành phần bức xạ khác nhau. Việc phân biệt chính xác giúp tránh sai lệch khi thiết kế hệ thống đo lường và phân tích dữ liệu.

Tiêu chí	GHI	DNI	DHI
Tên đầy đủ	Global Horizontal Irradiance	Direct Normal Irradiance	Diffuse Horizontal Irradiance
Thành phần đo	Tổng bức xạ trực tiếp quy đổi trên mặt phẳng ngang và khuếch tán.	Bức xạ trực tiếp từ hướng Mặt Trời.	Bức xạ khuếch tán từ bầu trời.
Mặt phẳng đo	Nằm ngang.	Vuông góc với tia Mặt Trời.	Nằm ngang.
Thiết bị phổ biến	Pyranometer.	Pyrheliometer.	Pyranometer kết hợp cơ cấu che nắng.
Ứng dụng chính	Đánh giá tổng nguồn bức xạ tại địa điểm.	Đánh giá thành phần bức xạ trực tiếp.	Phân tích thành phần bức xạ khuếch tán.

Có thể hiểu đơn giản: GHI cho biết tổng lượng bức xạ nhận được trên mặt phẳng ngang, DNI thể hiện phần ánh sáng trực tiếp từ Mặt Trời, còn DHI phản ánh phần ánh sáng đã bị tán xạ trong khí quyển.

Phân biệt GHI, DNI, DHI và POA trong hệ thống điện mặt trời

Ngoài ba thông số GHI, DNI và DHI, trong các dự án điện mặt trời còn thường xuyên xuất hiện thuật ngữ POA (Plane of Array Irradiance).

POA là cường độ bức xạ nhận được trên mặt phẳng của tấm pin hoặc mặt phẳng mảng PV. Khác với GHI và DHI được tham chiếu trên mặt phẳng ngang, POA được xác định theo hướng và góc nghiêng của hệ thống pin.

POA có thể bao gồm:

Thành phần bức xạ trực tiếp chiếu lên mặt phẳng tấm pin.
Thành phần bức xạ khuếch tán từ bầu trời.
Thành phần bức xạ phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh.

Đối với các nhà máy điện mặt trời sử dụng tấm pin lắp nghiêng, dữ liệu POA thường có ý nghĩa trực tiếp hơn khi đánh giá lượng bức xạ thực tế mà module tiếp nhận.

Do đó, khi thiết kế trạm quan trắc, cần xác định rõ mục tiêu đo là GHI hay POA để lựa chọn vị trí và phương lắp đặt Pyranometer phù hợp.

Ví dụ thực tế về mối quan hệ giữa GHI, DNI và DHI

Để hiểu rõ hơn mối quan hệ giữa ba đại lượng, có thể xem xét một ví dụ giả định khi Mặt Trời ở góc thiên đỉnh 30 độ.

Giả sử hệ thống đo ghi nhận:

DNI = 800 W/m².
DHI = 150 W/m².
Góc thiên đỉnh Mặt Trời θz = 30°.

Áp dụng công thức:

GHI = 800 × cos(30°) + 150

Vì cos(30°) xấp xỉ 0,866 nên:

GHI ≈ 842,8 W/m²

Điều này cho thấy GHI không đơn giản bằng DNI cộng DHI. Thành phần DNI cần được quy đổi theo góc thiên đỉnh trước khi cộng với DHI trên mặt phẳng ngang.

Trong hệ thống quan trắc thực tế, các giá trị đo cần được đồng bộ thời gian và kiểm tra chất lượng dữ liệu trước khi sử dụng để tính toán hoặc đánh giá.

Lựa chọn thiết bị đo GHI, DNI và DHI cho trạm quan trắc

Việc lựa chọn cảm biến phụ thuộc vào yêu cầu quan trắc, cấp chính xác mong muốn, điều kiện lắp đặt và khả năng tích hợp với hệ thống thu thập dữ liệu.

Đối với phép đo GHI

Pyranometer thường được lắp đặt theo phương ngang tại vị trí thông thoáng, hạn chế bóng che từ công trình, cây xanh hoặc thiết bị xung quanh.

Đây là cấu hình phổ biến trong các trạm quan trắc phục vụ đánh giá tiềm năng bức xạ và giám sát nhà máy điện mặt trời.

Đối với phép đo DNI

Phương án đo phổ biến là sử dụng Pyrheliometer kết hợp Solar Tracker. Thiết bị theo dõi hướng Mặt Trời để duy trì trục đo vuông góc với tia nắng.

Cấu hình này đòi hỏi hệ thống cơ khí và điều khiển phù hợp, đồng thời cần bảo trì để duy trì độ chính xác trong quá trình vận hành.

Đối với phép đo DHI

Có thể sử dụng Pyranometer kết hợp cơ cấu che chắn bức xạ trực tiếp. Cần lựa chọn phương pháp che nắng và hiệu chỉnh phù hợp để hạn chế sai số do phần bầu trời bị che khuất.

Trong các ứng dụng cần dữ liệu chất lượng cao, việc bố trí thiết bị và thực hiện kiểm tra, hiệu chuẩn cần tuân theo quy trình đo lường tương ứng.

Vai trò của GHI, DNI và DHI trong trạm quan trắc PVMet

Trong hệ thống quan trắc năng lượng mặt trời, các thông số bức xạ là nguồn dữ liệu quan trọng để đánh giá điều kiện môi trường và phân tích hoạt động phát điện.

Trạm quan trắc PVMet có thể được cấu hình với những cảm biến phù hợp để thu thập dữ liệu bức xạ, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ module quang điện.

Tùy mục tiêu dự án, hệ thống có thể tập trung đo GHI hoặc bổ sung các phép đo DNI, DHI và POA để phục vụ phân tích chuyên sâu hơn.

Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời

Dữ liệu GHI và các thành phần bức xạ giúp doanh nghiệp phân tích điều kiện năng lượng mặt trời tại địa điểm triển khai dự án.

Phân tích điều kiện phát điện

Việc theo dõi biến động bức xạ theo thời gian giúp đối chiếu với công suất và sản lượng điện thực tế, hỗ trợ giải thích những thay đổi trong quá trình vận hành.

Hỗ trợ đánh giá hiệu suất nhà máy PV

Khi kết hợp dữ liệu bức xạ với thông số nhiệt độ module và sản lượng điện, đơn vị vận hành có thêm cơ sở để đánh giá hiệu suất hệ thống, phân tích nguyên nhân suy giảm và lập kế hoạch bảo trì.

Những lưu ý để đảm bảo chất lượng dữ liệu bức xạ

Ngay cả khi sử dụng cảm biến có đặc tính kỹ thuật tốt, dữ liệu đo vẫn có thể sai lệch nếu thiết bị được lắp đặt hoặc bảo trì không đúng cách.

Vị trí lắp đặt: Chọn khu vực thông thoáng, hạn chế bóng che và những nguồn phản xạ bất thường.
Phương lắp đặt: Xác định đúng mặt phẳng đo GHI, DHI hoặc POA theo mục tiêu quan trắc.
Vệ sinh cảm biến: Kiểm tra và làm sạch bề mặt kính hoặc phần tử tiếp nhận bức xạ theo hướng dẫn nhà sản xuất.
Đồng bộ thời gian: Đảm bảo dữ liệu từ các cảm biến được ghi nhận cùng mốc thời gian khi thực hiện tính toán.
Kiểm tra tín hiệu: Theo dõi dây dẫn, nguồn cấp, giao diện truyền thông và tình trạng mất dữ liệu.
Hiệu chuẩn: Thực hiện kiểm tra và hiệu chuẩn theo yêu cầu kỹ thuật của thiết bị và mục tiêu đo lường.

Đặc biệt, khi tính toán mối quan hệ giữa GHI, DNI và DHI, cần sử dụng đúng góc thiên đỉnh Mặt Trời và lưu ý điều kiện hình học của phép đo. Không nên so sánh trực tiếp những dữ liệu được đo trên các mặt phẳng khác nhau mà chưa thực hiện quy đổi phù hợp.

Kết luận

GHI, DNI và DHI là ba thông số quan trọng trong quan trắc năng lượng mặt trời, đại diện cho tổng bức xạ trên mặt phẳng ngang, bức xạ trực tiếp và bức xạ khuếch tán.

Mỗi đại lượng có phương pháp đo và ứng dụng riêng. GHI thường được sử dụng để đánh giá tổng nguồn bức xạ, DNI phục vụ phân tích thành phần trực tiếp, còn DHI giúp xác định mức đóng góp của ánh sáng khuếch tán từ bầu trời.

Việc lựa chọn đúng Pyranometer, Pyrheliometer và cấu hình trạm quan trắc phù hợp sẽ giúp nâng cao chất lượng dữ liệu, hỗ trợ đánh giá tiềm năng năng lượng cũng như hiệu suất vận hành của các nhà máy điện mặt trời.