TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 23, Số 1 (2023)
65
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 môi
trường để thay thế việc sử dụng nhiên liệu hoá thạch ngày càng phổ biến và hiệu quả
hơn. Trong đó, năng lượng được sử dụng phổ biến rộng rãi nhất là năng lượng mặt trời
hay còn gọi là năng lượng bức xạ mặt trời. Theo tính toán của NASA, mặt trời còn có thể
cung cấp năng lượng cho chúng ta trong khoảng 6,5 tỉ năm nữa [1]. Bức xạ mặt trời đa
phần 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. Tiềm
năng của năng lượng mặt trời là rất lớn - mỗi ngày, bề mặt trái đất được hưởng 120.000
terawatts (TW) của ánh sáng mặt trời, cao gấp 20.000 lần so với nhu cầu của con người
trên toàn thế giới (1TW = 1.000 tỉW) [2] trong khi đem lại những ưu điểm mà các dạng
Phương pháp mô phỏng quang học sử dụng Zemax cho việc thiết kế đa cấu hình …
66
năng lượng khác không có . Ông Michael Schmela - Giám đốc tình báo thị trường tại
SolarPower Europe, tuyên bố: “Năm 2022 đã đánh dấu sự mở đầu cho thời đại mặt trời
tại châu Âu”. Cũng theo ông, năng lượng mặt trời đáp ứng đủ ba chỉ tiêu lý tưởng về
năng 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 lượng
mặt trời lớn nhất thế giới với 16,504MW, chiếm 2,3% toàn cầu[5]. Công suất trên đầu
người của Việt Nam là 60W/người. Theo số liệu được thông kê ở bảng 1.1, có thể thấy
tiềm năng nguồn năng lượng sạch này là rất lớn bởi Việt Nam nằm trong vùng nhiệt
đới, với trị số tổng bức xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2.năm (4,2 –7,3 GJ/m2 năm) đặt
biệt ở các vùng miền phía nam có nhiều nắng (số giờ nắng từ 1700 – 2600 giờ/năm), các
vùng miền phía bắc có khoảng 1600 – 2000 giờ/năm và các vùng miền trung có khoảng
từ 2000 – 3000 giờ/năm [6].
Bng 1. Số liệu bức xạ mặt trời tại Việt Nam [6]
Vùng khảo sát
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
Việc sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời để chiếu sáng thông minh và tiết kiệm
năng lượng trong nhà hiện nay gặp nhiều hạn chế mà các giải pháp chiếu sáng thông
thường 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 thời
gian trong ngày và vị trí địa lý, khiến cho việc thu nhận để duy trì cường độ chiếu sáng
ổn định gặp khó khăn; hoặc các giải pháp thiết bị thu nhận ánh sáng mặt trời với hiệu
suất cao lại đòi hỏi các cơ hệ phức tạp, chi phí cao để bám bắt hướng chiếu của chùm
sáng mặt trời dẫn tới khó ứng dụng rộng rãi, thuận tiện trong dân dụng v.v…. Để khắc
phục việc ánh sáng mặt trời luôn thay đổi hướng, các giải pháp kỹ thuật trước đây đưa
ra 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]
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 23, Số 1 (2023)
67
Những giải pháp kỹ thuật đi theo hướng sử dụng cơ hệ theo phương ánh sáng
đòi hỏi nguồn điện để vận hành cơ hệ, đồng thời cũng cần phải thường xuyên bảo trì hệ
thống. Những đòi hỏi này làm tăng chi phí sử dụng và ít nhiều gay ra khó khăn trong
triển khai ứng dụng diện rộng. Những giải pháp kỹ thuật sử dụng các bố trí quang học
có tính đẳng hướng, không dùng cơ hệ, để có thể thu nhận ánh sáng mặt trời theo các
hướng khác nhau, thường dùng các vật liệu trong suốt. Tuy nhiên, ở các giải pháp này,
hiệu suất thu nhận ánh sáng mặt trời còn thấp và không đồng đều theo thời gian trong
ngày. Thông thường ánh sáng mặt trời sau khi được thu nhận hiệu quả thường cần được
dẫn truyền qua một khoảng cách tương đối mới tới nơi tán xạ để sử dụng, do đó cần
giảm hẹp tiết diện sáng truyền dẫn so với diện tích nhận sáng để tăng hiệu quả sử dụng.
Hiện nay cũng đã có một số giải pháp sử dụng được thiết kế dưới dạng tĩnh đã
được thương mại hoá và được đưa vào sử dụng ở nhiều nơi : thu nhận ánh sáng mặt
trời để chiếu trực tiếp cho không gian bên dưới “Solar Tube” [12]. Tuy nhiên phương
pháp này gặp hạn chế ở mức độ thu nhận ánh sáng mặt trời chưa được cao, không hội
tụ dẫn đến việc dẫn truyền gặp khó khăn và bị giới hạn.
Do đó, vấn đề đặt ra ở nghiên cứu này là đưa ra các cấu hình hiệu quả cho việc
thu nhận ánh sáng mặt trời thông qua mô phỏng quang học, từ đó làm tiền đề cho việc
chế tạo thử nghiệm thực tế với các yêu cầu: chi phí để tạo ra hệ thống rẻ với nguyên liệu
sử dụng là nhựa và nước; chi phí bảo trì của hệ thống thấp; thu sáng với diện tích rộng
và sau đó hội tụ ánh sáng để giảm tiết diện cần thiết cho đường truyền sáng; hiệu suất
thu sáng đồng đều, giảm sự ảnh hưởng do vị trí địa lý, thời gian…
II. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐA CẤU HÌNH VỚI ZEMAX
Để đảm bảo việc phân tích đường chuyền cho cả một chùm sáng mặt trời có tiết
diện lớn thu nhận bởi một hệ quan học thì việc sử dụng tính toán quang hình đơn thuần
trở nên hạn chế và khó áp dụng. Do đó, yêu cầu đặt ra là cần một phần mềm mô phỏng
mà có thể giúp phân tích, mô phỏng đường truyền của chùm sáng mặt trời tới thiết bị
được thiết kế theo yêu cầu. Ở nghiên cứu này, phần mềm ZEMAX được sử dụng cho
mục đích mô hình hóa, thiết kế và phân tích các hệ thống quang học. Với việc sử dụng
Zemax, đa cấu hình thu nhận sáng được đề xuất dựa trên cấu trúc cơ bản dạng vòm với
các thiết kế khác nhau phục vụ mục đích chung là hội tụ chùm sáng vào một tiết diện
nhỏ hơn nhiều lần tiết diện nhận sáng. Cơ chế được miêu tả như hình 1.
Phương pháp mô phỏng quang học sử dụng Zemax cho việc thiết kế đa cấu hình …
68
Hình 1. Hình vẽ mặt cắt và mặt bằng thiết bị thu nhận và tán xạ ánh sáng mặt trời sử dụng
chất lỏng với bề mặt nhận sáng dạng múi dọc lồi.
Cấu hình chung cho việc thu nhận và tán xạ ánh sáng mặt trời thông qua việc sử
dụng một chất lỏng trong suốt (1) được chứa trong một vỏ mỏng bằng vật liệu trong
suốt và cứng (2). Phương pháp này bao gồm việc thiết lập lớp vỏ (2) có cấu trúc đặc biệt
như sau: Bộ phận (3) có tác dụng nhận các chùm sáng song song theo phương thẳng
đứng, vừa nhận chùm sáng song song vừa đưa chất lỏng vào ra thông qua nắp(4). Nắp
(4) được làm bằng chất liệu như vỏ (2) có tác dụng thu nhận ánh sáng. Nắp được vặn
chặt bằng keo hoặc ren cố định với bộ phận (3). Mặt nhận sáng (5) có dạng vòm, phần
vòm đầu tiên được gắn với bộ phận (3), các vành còn lại nối liền với nhau tạo thành các
mặt lồi (6). Các mặt lồi (6) được bố trí sao cho mặt cắt từng vành đi qua trục đối xứng
(7), các mặt lồi của phương pháp này có dạng mặt cầu. Các mặt cầu này có tác dụng như
thấu kính hội tụ các chùm sáng song song theo các phương khác nhau (có phương chính
là phương theo trục đối xứng (7)) vào điểm hội tụ (8) của toàn bộ phương pháp. Bộ phận
dạng ống (9) được gắn chặt vào phần dưới của bộ phận nhận sáng (5), kích thước chu vi
của của ống bằng với chu vi và trùng khớp mặt dưới của bộ phận nhận sáng (5), chiều
cao của ống được điều chỉnh sao cho điểm chung (8) nằm đúng tại mặt dưới của ống (9).
Bộ phận dạng vành (10) gắn chặt với mặt dưới của ống (9), đồng trục (7) với trục của
toàn bộ hệ, có chu vi trong lớn hơn chu vi của ống (3) và chu vi ngoài lớn hơn chu vi của
ống (9). Bộ phận tán xạ ánh sáng và đưa chất lỏng vào ra dạng ống (11) có nắp (12) có
thể được đậy kín bằng ren hoặc bằng keo, có chu vi bằng đúng với chu vi trong và trùng
khớp với viền trong của vành (10), mặt dưới của nắp (12) được làm nhám để tán xạ tốt
ánh sáng. Chất lỏng (1) được cho vào phần không gian bên trong lớp vỏ (2).
Với phương pháp này, ánh sáng sẽ được thu nhận và tán xạ hiệu quả mà không
cần dùng bất kỳ cơ hệ nào, đồng thời sử dụng chất lỏng làm môi trường hội tụ và truyền
sáng, thuận tiện khi sử dụng với chi phí thấp.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 23, Số 1 (2023)
69
Hình Error! No text of specified style in document.. Hình vẽ dạng sơ đồ tia sáng minh họa
nguyên lý hội tụ ánh sáng của một mặt chất lỏng lồi, ngăn cách với môi trường ngoài bằng
một lớp vỏ mỏng.
Theo hình 2, sự hội tụ chùm sáng song song với trục đối xứng của mỗi mặt cầu
lồi (6) được minh họa: chiết suất của mỗi trường bên ngoài, nơi ánh sáng đi tới mặt (6)
là n0; chiết suất của môi trường chất lỏng 1 chứa trong lớp vở là n1; chiết suất của lớp
vỏ (2) tạo thành mặt cong lồi là n2; bề dày lớp vỏ (2) là d; bán kính mặt cong lồi (6) là r;
mặt cong lồi (6) có tác dụng như một thấu kính hội tụ, khiến ánh sáng ngay sau khi đi
vào mặt vỏ giữa môi trường ngoài và lớp vỏ (2) sẽ bị khúc xạ và hội tụ tại điểm F0 ;Các
chùm sáng này, khi đến mặt tiếp giáp giữa lớp vỏ (2) và chất lỏng (1), sẽ hội tụ tại điểm
F1. Tùy thuộc vào giá trị của chiết suất của chất lỏng (1) ta có : n1 = n2, điểm F1 sẽ trùng
với điểm F0 ; n1 < n2, điểm F1 nắm phía sau điểm F0 ; n1 > n2 ; điểm F1 nằm phía trước
điểm F0.
Khoảng cách từ điểm F0 tới mặt tiếp giáp môi trường ngoài và lớp vỏ (2) là f0.
Khoảng cách từ điểm F1 tới điểm tiếp giáp chất lỏng (1) và lớp vỏ (2) là f1. Các khoảng
cách này có mối liên hệ như sau:
𝑓
0=𝑛2
𝑛2− 𝑛0
× 𝑟 (1)
𝑓
1 =𝑛1
𝑛1− 𝑛0−𝑑
𝑛2× 𝑟
× 𝑟 (2)
Điểm F1 tại hình 2 cũng chính là điểm (8), điểm hội tụ chung của toàn bộ các mặt
cong lồi (6) tạo nên mặt vòm nhận sáng (5). Độ dài điểm f1 chính là bán kính mặt vòm
nhận sáng (5) là R. Như vậy dựa vào giá trị chiết suất của chất lỏng (1), ta có thể xây
dựng được các mặt lồi (6), sao cho bán kính của từng mặt lồi (6) tuân theo công thức:
𝑟 = 𝑛1−𝑛0
𝑛1
× 𝑅. Số lượng các mặt lồi (6) phụ thuộc vào góc mở nhìn mặt lồi (6), tính từ
điểm chung (8) của mỗi mặt lồi. Trong hình chiếu minh họa tại hình 2, góc mở này có
giá trị khoảng từ 30 tới 150. Như vậy thông qua cả miêu tả về đường truyền của một vài