A Solar Insolation Estimation Model using Manipulating Data from Meteorology and Air Quality Index

Abstract

This research is the study of estimated solar radiation used meteorological data and air quality index data. The study was divided into two parts. Part 1 studied the effects of soil dust on the reduced of solar radiation and the efficiency of solar cell panels in the laboratory. Part 2 created and developed a mathematical model for estimated solar radiation by weather and air quality data from measured stations in Northern of Thailand.

In the first part of the study, the results of the experiment were to determine the relationship between the size and amount of soil dust particles that affect solar radiation appeard on the surface of solar cells and the efficiency of solar cells in the laboratory. It was found that the accumulated from soil dust of various sizes affects the efficiency of solar cell panels as follows: 1. dust size 32 - 37 (fine particles) efficiency decreases between 12.60 - 14.56%, the solar radiation value decreases between 401.06 - 463.52 W/m2 2. dust size 38 - 62 efficiency decreased between 12.80 - 14.62%. Solar radiation value decreased between 407.26 - 465.25 W/m2 3. dust size 63 - 74 efficiency decreased between 12.91 - 14.72%. The solar radiation value decreased between 410.90 - 468.39 W/m2. 4. dust size 75 - 89 efficiency decreased between 13.79 - 14.76%. The solar radiation value decreased between 438.77 - 469.63 W/m2 and 5. dust size 90. - 105 (coarse particles) efficiency decreased between 14.20 - 15.36%, and solar radiation value decreased between 452.03 - 488.84 W/m2 by small dust particles from the soil dust (fine particles). When increasing the amount of adhesion on the solar panel can attenuate solar radiation transmission more than large dust particles (coarse particles).

In the second part of the study, the mathematical model was created to estimate solar radiation. It was found that the developed models (DEV.) were based on the equation for attenuated solar radiation from the atmosphere. It can be used to estimate monthly solar radiation with the highest accuracy compared to computer programs (PVsyst) and other mathematical models. The study it was found that the developed model can be used to estimate monthly solar radiation with the highest accuracy compared to computer programs (PVsyst) and other mathematical models. The efficiency and accuracy of a mathematical model can be measured with statistical tools. The best model has a mean absolute error (MAE) was 0.492 - 1.227 Mj/m2/day, a mean square error (MSE) was 0.394 - 1.987 Mj/m2/day, a root mean square error (RMSE) was 0.628 - 1.410 Mj/m2/day, and a mean percentage error (MAPE%) is equal to 2.806 - 7.141%.

งานวิจัยนี้ ผู้วิจัยได้ดำเนินการศึกษาการประมาณค่ารังสีอาทิตย์โดยใช้ข้อมูลจากอุตุนิยมวิทยา ร่วมกับข้อมูลดัชนีคุณภาพอากาศ โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ส่วนคือ ส่วนที่ 1 ศึกษาผลกระทบของฝุ่นละอองต่อการลดลงของรังสีอาทิตย์และประสิทธิภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ในห้องปฏิบัติการ ส่วนที่ 2 การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ สำหรับประมาณค่าปริมาณรังสีอาทิตย์รายเดือน โดยใช้ข้อมูลสภาพอากาศและคุณภาพอากาศจากสถานีวัดในพื้นที่จังหวัดทางภาคเหนือประเทศไทย

ในการศึกษาส่วนที่ 1 ผลการทดลองเพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างขนาดและปริมาณของฝุ่นละอองที่ส่งผลกระทบต่อรังสีอาทิตย์ที่ปรากฏบนพื้นผิวของเซลล์แสงอาทิตย์และประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ในห้องปฏิบัติการ พบว่าการสะสมของฝุ่นจากดินขนาดต่าง ๆ ส่งผลต่อประสิทธิภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ดังนี้ 1. ฝุ่นขนาด 32 - 37(อนุภาคละเอียด) ประสิทธิภาพลดลงอยู่ระหว่าง 12.60 – 14.56% มีค่ารังสีอาทิตย์ลดลงอยู่ระหว่าง 401.06 – 463.52 W/m2 2. ฝุ่นขนาด 38 - 62 ประสิทธิภาพลดลงอยู่ระหว่าง 12.80 – 14.62% มีค่ารังสีอาทิตย์ลดลงอยู่ระหว่าง 407.26 – 465.25 W/m2 3. ฝุ่นขนาด 63 - 74 ประสิทธิภาพลดลงอยู่ระหว่าง 12.91 – 14.72% มีค่ารังสีอาทิตย์ลดลงอยู่ระหว่าง 410.90 – 468.39 W/m2 4. ฝุ่นขนาด 75 - 89 ประสิทธิภาพลดลงอยู่ระหว่าง 13.79 – 14.76% มีค่ารังสีอาทิตย์ลดลงอยู่ระหว่าง 438.77 – 469.63 W/m2 และ 5. ฝุ่นขนาด 90 - 105 (อนุภาคหยาบ) ประสิทธิภาพลดลงอยู่ระหว่าง 14.20 – 15.36% มีค่ารังสีอาทิตย์ลดลงอยู่ระหว่าง 452.03 – 488.84 W/m2 โดยฝุ่นละอองจากดินที่มีขนาดเล็ก (อนุภาคละเอียด) เมื่อมีการเพิ่มปริมาณการยึดเกาะที่แผงเซลล์แสงอาทิตย์ จะสามารถลดทอนการส่งผ่านรังสีอาทิตย์ได้สูงกว่าฝุ่นละอองขนาดใหญ่ (อนุภาคหยาบ)

ในการศึกษาส่วนที่ 2 การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อประมาณค่ารังสีอาทิตย์ พบว่าแบบจำลองที่พัฒนาขึ้น (Develop) โดยอาศัยสมการการลดทอนรังสีอาทิตย์จากบรรยากาศ สามารถใช้ประมาณค่ารังสีอาทิตย์รายเดือนได้แม่นยำสูงสุดเมื่อเทียบกับโปรแกรมสำเร็จรูปและแบบจำลองทางคณิตศาสตร์อื่นๆ โดยแบบจำลองที่พัฒนาขึ้น(Develop) เมื่อใช้ประมาณค่าปริมาณรังสีอาทิตย์รายเดือนของจังหวัดต่างๆ ที่ทำการศึกษา จากการศึกษาพบว่าแบบจำลองที่พัฒนาขึ้นนี้สามารถใช้ในการประมาณค่ารังสีดวงอาทิตย์รายเดือนได้แม่นยำสูงสุดเมื่อเปรียบเทียบกับโปรแกรมคอมพิวเตอร์ (PVsyst) และแบบจำลองทางคณิตศาสตร์อื่นๆ ประสิทธิภาพและความแม่นยำของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือทางสถิติ แบบจำลองที่ดีที่สุดมีค่าเฉลี่ยความคลาดเคลื่อนสัมบูรณ์ (MAE) อยู่ที่ 0.492 - 1.227 เมกกะจูล/ตร.ม./วัน ค่าคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ย (MSE) เท่ากับ 0.394 - 1.987 เมกกะจูล/ตร.ม./วัน ค่าความผิดพลาดค่าเฉลี่ยกำลังสอง (RMSE) เท่ากับ 0.628 - 1.410 เมกกะจูล/ตร.ม./วัน และเปอร์เซ็นต์ความคลาดเคลื่อนเฉลี่ย (MAPE) เท่ากับ 2.806 - 7.141%