Mô hình hóa ánh sáng việc lắp đặt tấm quang năng đô thị
[Vui lòng đăng ký trang Youtube của Pacific Group tại
https://www.youtube.com/channel/UCAxje1GxiUpZD6MEcR0f5Jg/videos
Chúng tôi có các buổi chia sẻ về kinh doanh thực tế hàng tuần]
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Carnegie Mellon nghiên cứu mô hình bóng tối cho vị trí của bảng điều khiển năng lượng mặt trời và hơn thế nữa. Tín dụng: Andrés Arias-Rosales
Việc lắp đặt bảng điều khiển năng lượng mặt trời ở các thành phố yêu cầu các thiết lập phù hợp với hình dạng phức tạp của không gian đô thị để cung cấp ánh sáng mặt trời trực tiếp nhất cho mỗi bảng điều khiển. Trong số các quy trình để thiết kế thiết lập hiệu quả nhất là mô hình bóng.
Chi phí của các hệ thống quang điện mặt trời (phổ biến hơn là các tấm pin mặt trời) đã giảm đáng kể trong thập kỷ qua. Thông qua sự kết hợp giữa cân nhắc về môi trường và tính khả thi về kinh tế, các tấm pin mặt trời đang được lắp đặt ở nhiều nơi hơn và được sử dụng trong các dự án lớn hơn. Nhu cầu về các tấm pin mặt trời trong sử dụng hàng ngày có nghĩa là chúng đang được lắp đặt như một phần của việc xây dựng thành phố hiện đại.
Theo truyền thống, các tấm pin mặt trời được lắp đặt thành nhiều mảng lớn trong không gian rộng rãi, nơi chúng có thể hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời nhất có thể trong thời gian dài nhất có thể. Khi các thành phố phát triển và mở rộng, chúng sẽ đòi hỏi nhiều năng lượng hơn, và sẽ rất hữu ích nếu đặt các tấm pin mặt trời gần các quần thể cần điện. Việc đặt các tấm pin mặt trời trong môi trường đô thị cũng loại bỏ chúng khỏi các cánh đồng trống, nơi chúng cạnh tranh với các trang trại để giành không gian.
Việc lắp đặt ở các thành phố yêu cầu các thiết lập bảng điều khiển năng lượng mặt trời phù hợp với hình dạng phức tạp của không gian đô thị để cung cấp ánh sáng mặt trời trực tiếp nhất cho mỗi bảng điều khiển. Trong số các quy trình để thiết kế thiết lập hiệu quả nhất cho các tấm pin mặt trời là mô hình bóng, có khả năng tạo ra hàng triệu kịch bản - mà không thể kiểm tra vật lý - để tối đa hóa việc thu năng lượng từ các tấm pin mặt trời. Công nghệ này có tiềm năng ngoài việc đặt bảng điều khiển năng lượng mặt trời, chẳng hạn như đo mức độ ánh sáng cho nông nghiệp đô thị và đo mức nhiệt để thiết kế tòa nhà.
Mô hình bóng đô thị là quá trình mô phỏng cảnh quan thành phố trong công cụ mô hình 3D và tính toán các bóng đổ bởi mặt trời. Điều này cho phép các kỹ sư tìm ra những khu vực có ít bóng nhất và điều chỉnh vị trí cũng như góc của mỗi tấm pin mặt trời để cho phép chúng đón được nhiều ánh sáng mặt trời nhất. Nghiên cứu tại Đại học Carnegie Mellon, do Andrés Arias-Rosales đứng đầu và Philip LeDuc, một giáo sư kỹ thuật cơ khí, đã nghiên cứu nhiều cách tiếp cận để mô hình hóa chùm tia. Các phát hiện đã được công bố trong Đánh giá Năng lượng Tái tạo và Bền vững.
Bài báo là một trong chuỗi nghiên cứu nhằm kết hợp khái niệm sinh học của lý thuyết bầy đàn (cách các sinh vật riêng lẻ như kiến có thể hoạt động như một bầy để tạo ra các hành vi phức tạp hơn nhiều so với các bộ phận riêng lẻ) với nhu cầu ngày càng cao và hiệu quả của tấm pin mặt trời của dân số nói chung. Tiến sĩ Arias-Rosales cho biết: “Có một số thị trường mới nổi rất thú vị trong lĩnh vực quang điện tích hợp trong xây dựng và quang điện tích hợp trên xe. sinh viên ngành cơ khí làm việc với LeDuc, và tâm trí đằng sau dự án này. Andrés cũng đề cập đến các ứng dụng tiềm năng cho các tấm pin mặt trời trên đường hoặc trên các máy bay không người lái cỡ lớn.
Để hiện thực hóa tầm nhìn này, Arias-Rosales đã bắt đầu xây dựng một khung mô hình mới có thể theo dõi hiệu quả những bóng đổ của mặt trời khi nó di chuyển trên bầu trời và khi xe cộ, con người và máy bay không người lái di chuyển xung quanh một thành phố đông đúc. Họ đã nghiên cứu bốn phương pháp khác nhau để theo dõi các bóng cứng do mặt trời chiếu vào trong các bối cảnh khác nhau từ môi trường đô thị chật chội như La Crescenta-Montrose, California đến các thành phố đông đúc như New York.
Bốn phương pháp được thử nghiệm trong nghiên cứu là:
Rasterization và đếm pixel trong một bức ảnh ảo để đo khu vực bị mặt trời chiếu vào; đây là phương pháp chính xác nhất nhưng đòi hỏi nhiều tính toán nhất.
Hai kiểu dò tia, sử dụng phân tích vectơ để xác định diện tích bề mặt bị đánh trúng. Theo dõi tia chuyển tiếp đo các tia từ nguồn sáng và tính toán có bao nhiêu tia trong số chúng va vào các tấm pin mặt trời. Nó cực kỳ chuyên sâu về mặt tính toán, nhưng là phương pháp đơn giản nhất, nó được sử dụng làm đường cơ sở. Tính năng dò tia tập trung đo các tia từ tấm pin mặt trời và xem có bao nhiêu tia chiếu vào mặt trời; nó nhanh hơn nhiều so với rasterization và vẫn khá chính xác.
Một cách tiếp cận phân tích đầy đủ, sử dụng mô hình hình học và đại số tuyến tính để tính toán lượng mặt trời bị các tòa nhà chắn giữa bảng năng lượng mặt trời và mặt trời.
Phương pháp cuối cùng này là nhanh nhất theo thứ tự độ lớn nhưng không hoạt động tốt trong môi trường phức tạp hơn hoặc môi trường có nhiều thứ chuyển động.
Phương pháp nào là tốt nhất để đo bóng đổ?
Arias-Rosales nói: “Nó phụ thuộc một phần vào ứng dụng chính xác mà bạn đang xử lý. Cách tiếp cận phân tích cho đến nay là cách tiếp cận nhanh nhất và chính xác nhất. Tuy nhiên, việc thực hiện phương pháp này cực kỳ phức tạp và nó đòi hỏi phải có mô hình hóa trước và chính xác của tất cả các đối tượng trong môi trường. Cách tiếp cận theo dõi tia tập trung là một sự cân bằng rất tốt, vì nó hiệu quả hơn nhiều so với cách tiếp cận rasterization và chỉ kém chính xác hơn một chút.
Phương pháp rasterization không hữu ích lắm cho đến khi môi trường trở nên rất phức tạp, bởi vì mặc dù phương pháp này rất chậm, không giống như các phương pháp khác, phương pháp rasterization không làm chậm khi có nhiều vật thể hơn trong môi trường.
Các kỹ thuật mô hình mới này không chỉ áp dụng cho các tấm pin mặt trời. Công nghệ này có tiềm năng trong nhiều ứng dụng hiện đại, như mô hình nhiệt độ cho thiết kế có ý thức về môi trường, chẳng hạn như thiết kế các tòa nhà để không bị ảnh hưởng bởi ánh nắng trực tiếp và do đó cắt giảm chi phí điều hòa không khí hoặc xác định vị trí đặt cây trong không gian công cộng để làm cho chúng mát hơn hoặc sử dụng các tấm pin mặt trời để vừa thu ánh sáng mặt trời vừa tạo ra bóng râm. Một ứng dụng khác là sử dụng mô hình bóng này để thiết kế các khu vườn công cộng khi nông nghiệp đô thị ngày càng trở nên phổ biến hơn khi mọi người trở nên tự cung tự cấp và có ý thức về môi trường hơn.
