Nghiên cứu điều khiển hệ thống gương mặt trời bằng đại số gia tử
Ngô Kiên Trung v cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 68(6): 60 - 64 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI BẰNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Ngô Kiên Trung * , Nguyễn Tiến Duy, Chu Minh Hà, Dƣơng Quốc Tuấn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo đƣa ra một phƣơng pháp điều khiển mới nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình thu nhiệt từ năng lƣợng mặt trời. Đây là một thuật toán điều khiển mờ mới thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử, áp dụng nhằm khắc phục một số vấn đề của điều khiển mờ. Công việc ở đây là đánh giá mức gia tăng nhiệt độ của chất lỏng khi nó chảy qua ống dẫn của bộ thu năng lƣợng khi mặt trời chiếu trực tiếp vào bộ thu. Điều khiển chính xác bộ thu nhằm tối đa hoá hiệu suất về nhiệt của hệ thống thu năng lƣợng mặt trời. Ngoài việc đƣa ra giải pháp điều khiển, bài báo còn giới thiệu một công cụ tính toán mềm mới đơn giản và có khả năng tính toán với độ chính xác cao hơn dựa trên miền định lƣợng ngôn ngữ. Từ khóa: Năng lượng mặt trời, bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử, hiệu suất nhiệt, gương máng cong, bộ thu. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng mà con ngƣời biết sử dụng từ rất sớm, nhƣng ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì thực sự là một vấn đề rất mới và hiện đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự. Thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời giá thành còn cao, hiệu suất còn thấp còn các bộ thu có máng cong phản xạ parabol thì thu đƣợc nhiệt độ cao nhƣng vấn đề định vị hứng nắng theo hƣớng mặt trời rất phức tạp nên việc vận hành nhiều khó khăn. Nội dung bài báo giới thiệu hệ thống thu năng lƣợng mặt trời sử dụng máng cong parabol và một phƣơng pháp điều khiển mới cho hệ thống này. Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời sử dụng các máng cong parabol (PTSCS), tập trung năng lƣợng mặt trời vào một ống thu chạy ở trong lòng máng. Bởi với hình dáng parabol, máng có Tel: 0916 633119, Email: trungokien@tnut.edu.vn thể tập trung ánh mặt trời trên các đƣờng ống này với cƣờng độ gấp 30-60 lần. Năng lƣợng tập trung đun nóng một chất lỏng truyền nhiệt, thƣờng là dầu, chảy qua đƣờng ống. Bộ thu nhiệt đƣợc đặt phía trên máng theo hƣớng đông-tây xoay theo mặt trời để tập trung đƣợc tốt nhất nhiệt năng từ các ống thu. Hình 1. Hệ thống gƣơng mặt trời Hình 2. Quay gƣơng theo bƣớc cố định Hiệu suất của bộ thu quang học là hàm của 5 hệ số: độ phản xạ bề mặt gƣơng, độ trong suốt lớp phủ bề mặt gƣơng, hệ số hấp thu về nhiệt, độ lệch góc tới và hệ số chặn: ηo = ƒ(ρ, τ, α, K, γ) (1) Trong điều kiện bình thƣờng góc tới (K=1) do đó: ηo = [τ α ρ] γ (2) Các hệ số τ, α, ρ là các thuộc tính vật lý của từng loại vật liệu làm nên bộ thu do vậy chúng bằng const. Hệ số chặn γ (là không đổi đối với sự thay đổi của bức xạ ánh sáng và nhiệt độ chất lỏng) là Ngơ Kiên Trung v cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 68(6): 60 - 64 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn hàm của các tham số về mặt hình học cũng nhƣ là thơng số về độ sai lệch. Những sai lệch này sẽ gia tăng trong suốt q trình xây dựng và vận hành PTSCS bao gồm: - Độ lệch bộ thu. - Độ lệch của bộ phản xạ. - Lỗi do sai số bám. - Lỗi do sai số hình học của gƣơng. - Lỗi do ngồi vùng hấp thụ ánh mặt trời. Khi đó hiệu suất nhiệt là một hàm của γ, tức là hàm của sai số bám, sai số ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu quả nhiệt của bộ thu. Để tối đa hóa hiệu suất của bộ thu nhiệt, cần phải giảm sai số bám càng nhiều càng tốt có nghĩa là điều chỉnh bộ gƣơng và hệ thống điều khiển sao cho bề mặt gƣơng parabol ln hƣớng chính xác về phía mặt trời. SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ - HEDGE ALGEBRA CHO BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN Thuật tốn Almeria (PSA) Thuật tốn Almeria (PSA) Hình 3. Vị trí mặt trời theo PSA Mơ hình này xác định vị trí của mặt trời từ thuật tốn Almeria (Plataforma Solar de Almeria). Tham số đƣợc dùng là kinh độ và vĩ độ căn cứ vào vị trí địa lý của của gƣơng và biến là thời gian đƣợc tính từ bộ vi xử lý. Tín hiệu phản hồi đƣợc lấy từ encoder xác định vị trí, để so sánh vị trí tính tốn với vị trí thực của gƣơng. Vị trí mặt trời đƣợc xác định nhƣ sau (theo [1]): jd=[1461 {y+4800 (m - 14)/12}]/4 + (367 [m-2-12 {(m-14)/12}])/12- (3 [{y+4900+(m-14)/12}/100]))/4+ d-32075-0.5+hour/24.0 (3) n=jd-2451545.0 (4) =2.1429-0.0010394594 n (5) L=4.8950630+0.017202791698 n (6) g=6.2400600+0.0172019699 n (7) l=L+0.03341607 sin(g)+0.00034894 sin(2g)-0.0001134-0.0000203 sin( ) (8) -9 ep=0.4090928-6.2140 10 n +0.0000396 cos ( ) (9) -1 ra=tan [{cos(ep) sin(l)}/cos(l)] (10) -1 =sin {sin(ep) sin (l)} (11) gmst=6.6974243242+0.0657098283 n+hour (12) lmst=(gmst 15+long) ( /180) (13) =lmst-ra (14) -1 z=cos [cos( )cos( )cos( ) +sin( )sin( )] (15) 1 sin( ) tan tan( ) os( )-sin( )cos( )c (16) sin( ) z EarthMeanRadius Parallax X AstronomecalUnit (17) tz Parallax (18) 1 sin( ) tan tan(180/ ) t (19) Điều khiển dựa trên đại số gia tử Đại số gia tử (HA: Hedge Algebra) là sự phát triển dựa trên tƣ duy logic về ngơn ngữ [4]. Với quan hệ vào - ra theo logic mờ phải xác định các hàm liên thuộc một cách rời rạc thì HA tạo ra một cấu trúc đại số dƣới dạng quan hệ hàm, cho phép hình thành một tập biến ngơn ngữ lớn vơ hạn. Trên cơ sở lý thuyết HA [4-6], sơ đồ điều khiển sử dụng HA (HAC: Hedge- Algebras-based Controller) với ánh xạ ngữ nghĩa định lƣợng Ngô Kiên Trung v cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 68(6): 60 - 64 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn (SQM: Semantic Quantifying Mapping) nhƣ sau: Hình 4. Sơ đồ điều khiển sử dụng HA Thiết kế bộ điều khiển sử dụng HA Mô hình điều khiển này đƣợc dựa trên nền tảng với ba đầu vào là vị trí gƣơng (trough), nhiệt độ cửa chất lỏng, tốc độ gió. Ba biến đầu vào là chất lỏng nhiệt độ, gió và một biến đầu ra tốc độ động cơ. Các biến ngôn ngữ đƣợc xây dựng từ các biến của đối tƣợng gồm: - Tốc độ gió: WIND_SPEED = [0 đến 100] - Vị trí của máng phản xạ: ENCODER = [-100 đến 100] - Nhiệt độ chất lỏng: FLUITD_TEMP = [0 đến 100] - Tốc độ động cơ truyền động: DRIVE = [-100 đến 100] Hình 5. Mô hình hệ thống 3 đầu vào, 1 đầu ra Luật điều khiển xây dựng trên cơ sở: - Dữ liệu WIND_SPEED lấy từ phong tốc kế. - Dữ liệu lấy từ encoder vị trí máng phản xạ. - Dữ liệu FLUITD_TEMP lấy từ cảm biế n nhiệt độ. - Dữ liệu lấy từ sự thay đổi tốc độ động cơ. Sử dụng HA tuyến tính, chọn bộ tham số tính toán các giá trị ngữ nghĩa định lƣợng của các biến nhƣ sau : 1) WIND_SPEED = {0, Less, , Great, 1} 2) FLUITD_TEMP = {0, Cold, , Hot, 1} 3) ENCODER = {0, Neg, , Pos, 1} 4) DRIVE = {0, Slow, , Fast, 1} H - = {Little} = {h -1 } ; q = 1 H + = {Very} = {h 1 } ; p = 1 = 0.5 (Very) = 0.5 = (h 1 ) ; ( = 0.5) (Little) = 0.5 = (h -1 ) ; ( = 0.5) Nhƣ vậy : fm(Less) = = 0.5 fm(Great) = 1-fm(Less) = 1-0.5 = 0.5 fm(Cold) = = 0.5 fm(Hot) = 1-fm(Cold) = 1-0.5 = 0.5 fm(Neg) = = 0.5 fm(Pos) = 1-fm(Neg) = 1-0.5 = 0.5 fm(Slow) = = 0.5 fm(Fast) = 1-fm(Slow) = 1-0.5 = 0.5 Ngô Kiên Trung v cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 68(6): 60 - 64 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Theo [4], ta tính toán đƣợc các giá trị ngữ nghĩa định lƣợng của các biến nhƣ sau: v(Less)=v(Cold)=v(Neg)=v(Slow)=0.25 v(Great)=v(Hot)=v(Pos)=v(Fast)=0.75 v(Little Cold)=v(Little Neg)=v(Little Slow)=0.125 v(Little Hot)=v(Little Fast)=v(Little Pos)=0.375 v(Very Cold)=v(Very Neg)=v(Very Slow)=0.625 v(Very Hot)=v(Very Pos)=v(Very Fast)=0.875 Từ bảng điều khiển gốc theo mô hình điều khiển mờ, ta có thể giản lƣợc các luật không cần thiết để đƣợc: Bảng 1. Bảng luật điều khiển giản lƣợc Rule No. WIND _SPEED FLUITD _TEMP ENCODER POSITION 1 win-zer cold enc-neg rev-med 2 win-zer hot enc-neg rev-fas 3 win-med cold enc-neg rev-slo 4 win-med med enc-neg rev-med 5 win-max cold enc-neg rev-slo 6 win-max hot enc-neg rev-med 7 win-zer cold enc-zer stop 8 win-zer med enc-zer rev-slo 9 win-zer hot enc-zer rev-med 10 win-med cold enc-zer fwd-slo 11 win-max med enc-zer fwd-slo 12 win-zer hot enc-pos fwd-slo 13 win-med cold enc-pos fwd-fas 14 win- med med enc-pos fwd-med Xây dựng bảng các luật điều khiển ngữ nghĩa định lƣợng tƣơng ứng nhƣ sau: Bảng 2. Bảng định lƣợng ngữ nghĩa tƣơng ứng Rule No. WIND_SPEED&FLUITD_ TEMP& ENCODER POSITION 1 0.015625 0 2 0.03125 0.166667 3 0.0625 0.333333 4 0.09375 0.5 5 0.09375 0.666667 6 0.1875 0.833333 7 0.421875 1 Hình 5. Đƣờng cong biểu diễn quan hệ vào - ra KẾT LUẬN - Hầu hết các hệ thống điều khiển gƣơng mặt trời là hệ hở. Trong giải pháp điều khiển đƣợc trình bày trong bài báo này là một mô hình thông minh, bộ dò vị trí, tốc độ gió và nhiệt độ chất lỏng truyền nhiệt là cần thiết cho việc xác định vị trí của các máng phản xạ. - Tiếp cận sử dụng HA trong bài báo này bƣớc đầu đƣợc xây dựng kế thừa hệ luật trên nền của mô hình mờ, từ đó có thể phát triển với số lƣợng biến ngôn ngữ là rất lớn. So với thiết kế bộ điều khiển bằng logic mờ, việc thực hiện bộ điều khiển bằng HA là đơn giản và có khả năng điều khiển với độ chính xác cao hơn so với phƣơng pháp điều khiển mờ vì có rất ít các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình lập luận. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. P.Naidoo, T.I. van Niekerk, M. Brooks, intelligent control & tracking of a parabolic trough solar collector. [2]. "Assessment of Parabolic Trough and Power Tower Solar Technology Cost and Performance Forecasts", Executive Summary (47 pages), Full Report (344 pages), Sargent and Lundy LLC, October 2003 [3]. J. D. Garrison, “A program for calculation of solar energy collection by fixed and tracking collectors” Sol. Energy, vol. 72, no. 4, pp. 241-255, 2002. [4]. Nguyen Cat Ho, W. Wechler, Hedge algebra: An algebraic approach to structures of sets of linguistic truth values, Fuzzy sets and systems 35(1990) 281- 293 Ngô Kiên Trung v cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 68(6): 60 - 64 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [5]. Nguyen Cat Ho, W. Wechler, Extended algebra and their application to fuzzy logic, Fuzzy sets and systems 52 (1992) 259-281. [6]. N.C.Ho, V.N.Lan and L.X.Viet, Optimal hedge- algebras-based controller: Design and application, Fuzzy Sets and Systems. Vol. 159 (2008), 968-989, 2008. SUMMARY A RESEARCH OF CONTROL PARABOLIC TROUGH SOLAR COLLECTOR SYSTEM BASED ON HEDGE ALGEBRA Ngo Kien Trung , Nguyen Tien Duy, Chu Minh Ha, Duong Quoc Tuan College of Engineering and Technologies – TNU This paper presents a new method in controlling a parabolic trough solar collector system to improve the efficiency of the solar-to-thermal energy. It established a new fuzzy control algorithm, called hedge- algebras-based controller (HAC), and applied it to solve some fuzzy control problems. The aim of the research project is to test the solar-to-thermal energy efficiency of a tracking line-focus parabolic trough solar collector (PTSC), this is determined by measuring the temperature rise of water as it flows through the receiver of the collector when it is properly focused. Accurate control of the collector is therefore crucial to the maximizing thermal efficiency of a PTSC system. Moreover, this paper introduces a new simple flexible calculation tool which enables to calculate with a higher accuracy based on quantifying linguistic domains. Key words: Solar energy, Hedge-Algebras-based Controller, thermal efficiency, parabolic trough, the collector. Tel: 0916 633119, Email: trungokien@tnut.edu.vn . http://www.lrc-tnu.edu.vn NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI BẰNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Ngô Kiên Trung * , Nguyễn Tiến Duy, Chu Minh Hà, Dƣơng Quốc Tuấn Trường Đại học. mặt trời, bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử, hiệu suất nhiệt, gương máng cong, bộ thu. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI Năng lƣợng mặt