Trong thời đại khoa học kỹ thuật phỏt triển, nhu cầu về năng lƣợng ngày càng tăng. Trong khi đú cỏc nguồn nhiờn liệu dự trữ nhƣ than đỏ, dầu mỏ, khớ thiờn nhiờn và ngay cả thủy điện thì cú hạn khiến cho nhõn loại đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt năng lƣợng. Việc tìm kiếm và khai thỏc cỏc nguồn năng lƣợng mới nhƣ năng lƣợng hạt nhõn, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng giú và năng lƣợng mặt trời là một trong những hƣớng quan trọng trong kế hoạch phỏt triển năng lƣợng, khụng những đối với những nƣớc phỏt triển mà ngay cả với những nƣớc đang phỏt triển.
Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng sạch và tiềm tàng nhất đang đƣợc loài ngƣời thực sự đặc biệt quan tõm. Do đú việc nghiờn cứu nõng cao hiệu quả cỏc thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề cú tớnh thời sự.
Việt Nam là nƣớc cú tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực cú cƣờng độ bức xạ mặt trời tƣơng đối cao, với trị số tổng xạ khỏ lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2-7,3GJ/m2.năm) do đú việc sử dụng NLMT ở nƣớc ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG II
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI
Năng lƣợng tỏi tạo đó đƣợc chú ý đặc biệt trong những thập kỷ trƣớc. Năng lƣợng mặt trời đƣợc nhìn nhận là một nguồn năng lƣợng sạch và tỏi tạo đƣợc cho tƣơng lai, nú cũng là nguồn năng lƣợng ớt gõy ụ nhiểm nhất và nguồn năng lƣợng vụ tận nhất trong tất cả cỏc nguồn năng lƣợng đó biết. Hầu hết năng lƣợng mặt trời hiện nay đƣợc sử dụng làm năng lƣợng nhiệt hoặc điện. Thờm vào đú, cỏc kỹ thuật cho phộp sử dụng năng lƣợng mặt trời tập trung vào cỏc bộ thu nhiệt mặt trời và cỏc bộ hiệu ứng quang điện của chất bỏn dẫn để tạo ra điện trực tiếp từ ỏnh sỏng mặt trời. Trong trƣờng hợp năng lƣợng mặt trời, giỏ trị tối ƣu của năng lƣơng thu đƣợc khi cỏc chựm tia chiếu tới bề mặt thu một cỏch bình thƣờng. Điều này dẫn tới việc nghiờn cứu sự bức xạ mặt trời trờn bề mặt trỏi đất và nghiờn cứu sự thay đổi của cỏc hệ thống cho phộp một hệ thống gom năng lƣợng bỏm theo mặt trời một cỏch liờn tục.
Trong chƣơng này, chúng tụi trình bày tổng quan về hệ thống gƣơng mặt trời và một số mụ hình điều khiển gƣơng mặt trời đó đƣợc thực hiện.
2.1. Giới thiệu hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dựng máng phản xạ cong
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Điều khiển bỏm (theo dừi) theo hƣớng mặt trời là phần rất quan trọng trong cỏc hệ thống thu năng lƣợng mặt trời. Cụng việc ở đõy là đo mức gia tăng nhiệt độ của nƣớc (chất lỏng) khi nú chảy qua ống dẫn của bộ thu năng lƣợng khi mặt trời chiếu trực tiếp vào bộ thu. Hiệu suất về nhiệt của bộ thu năng lƣợng là một hàm của hệ số chắn (intercept factor), phụ thuộc vào độ chớnh xỏc của cụng việc bộ thu bỏm theo mặt trời. Điều khiển chớnh xỏc bộ thu hết sức quan trọng nhằm tối đa húa hiệu suất về nhiệt của hệ thống thu năng lƣợng mặt trời. Cỏc yờu cầu khỏc nhau đƣợc đƣa ra với cỏc chế độ hoạt động khỏc nhau cần thiết cho hoạt động đúng đắn của cỏc bộ thu năng lƣợng mặt trời. Cỏc mụ hình điều khiển đƣợc so sỏnh để tối ƣu hoỏ độ chớnh xỏc bỏm theo theo hƣớng mặt trời và cũng nhƣ tối ƣu hiệu suất nhiệt.
Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời sử dụng cỏc mỏng parabol cong (PTSC), tập trung năng lƣợng mặt trời vào một ống thu chạy ở trong lũng mỏng. Bởi với hình dỏng parabol, mỏng cú thể tập trung ỏnh mặt trời trờn cỏc đƣờng ống này với cƣờng độ gấp 30-60 lần. Năng lƣợng tập trung đun núng một chất lỏng truyền nhiệt, thƣờng là dầu, chảy qua đƣờng ống. Bộ thu nhiệt đƣợc đặt phớa trờn mỏng theo hƣớng đụng-tõy xoay theo mặt trời để tập trung đƣợc tốt nhất nhiệt năng từ cỏc ống thu.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 gúc tới và hệ số chặn
ηo = ƒ(ρ, τ, α, K, γ)
Trong điều kiện bình thƣờng gúc tới (K=1) do đú: ηo = [τ α ρ] γ
Cỏc hệ số trong [ ] là cỏc thuộc tớnh vật lý của từng loại vật liệu làm nờn bộ thu do vậy chúng bằng const. Hệ số chặn γ (là khụng đổi đối với sự thay đổi của bức xạ ỏnh sỏng và nhiệt độ chất lỏng) là hàm của cỏc tham số về mặt hình học cũng nhƣ là thụng số về độ sai lệch. Những sai lệch này sẽ gia tăng trong suốt quỏ trình xõy dựng và vận hành hệ thống PTS bao gồm:
Độ lệch bộ thu
Độ lệch của bộ phản xạ Lỗi do sai số bỏm
Lỗi do sai số hình học của gƣơng Lỗi do ngoài vựng hấp thụ ỏnh mặt trời
Khi đú hiệu suất nhiệt là một hàm của γ, tức là hàm của sai số bỏm , sai số ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu quả nhiệt của bộ thu . Để tối đa húa hiệu suất của bộ thu nhiệt, cần phải giảm sai số bỏm càng nhiều càng tốt cú nghĩa là điều chỉnh bộ gƣơng và hệ thống điều khiển sao cho bề mặt gƣơng parabol luụn hƣớng chớnh xỏc về phớa mặt trời.
2.2. Một số mụ hình điều khiển gƣơng mặt trời 2.2.1. Mụ hình điều khiển tỷ lệ cố định
Coi rằng mặt trời xoay trờn bầu trời với tốc độ khụng đổi là 0,25°/phút, hệ thống điều chỉnh này sử dụng một phƣơng phỏp truyền động liờn tục, cỏc hệ thống truyền động này dựng cỏc chuyển mạch on/off với một tỷ lệ để đảm bảo rằng bộ thu hƣớng theo di chuyển mặt trời. Sử dụng đơn vị thời gian cho cỏc bƣớc di chuyển của mặt trời với một sai số nhỏ và gƣơng vẫn đứng ở giữa gúc chỉnh. Điểm
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
khởi đầu cho việc xỏc định cơ cấu chuyển động đƣợc định nghĩa là khi sai số bỏm theo dừi vƣợt qua giỏ trị cho phộp.
Trờn hình vẽ vị trớ của mặt trời đƣợc hiển thị khi nú "chuyển động"
trờn bầu trời, đầu tiờn từ vị trớ A đến B và sau đú C. Vị trớ mỏng parabol đƣợc đặt chớnh giữa đối với vị trớ B. Đối với vị trớ B cỏc tia sỏng mặt trời sẽ đƣợc phản xạ từ bề mặt và tập trung tại tiờu điểm. Sai lệch là 3,5 mrad, hay 0,2° về hai bờn vị trớ B. Điều này cú nghĩa là cú thể đƣợc vị trớ phớa trƣớc (phớa tõy) của mặt trời và bờn trỏi cho đến khi mặt trời di chuyển qua tổng cộng 7 mrad, hoặc 0.401°, sẽ mất 69,12 giõy
Khi mặt trời di chuyển vào vị trớ C, hệ điều khiển cho PTCS phải một lần nữa xoay gƣơng về phớa tõy qua 7 mrad để đặt lại vị trớ cho A.
Tốc độ mặt trời ở 0,25 độ / phút. Một encoder quay đƣợc sử dụng trong mụ hình này để cung cấp tớn hiệu phản hồi về vị trớ gúc của mỏng, cú 2.500 xung cho mỗi 360° của một vũng quay, tức là 0,144° mỗi xung. Một chuyển động quay của 0.007 rad, hoặc 0.401° tƣơng đƣơng với 2,79 xung. Từ một số xung rời rạc đƣợc sử dụng vào chỉnh vị trớ lại mỏng đƣợc thực hiện với 2 xung do đú đảm bảo rằng sai lệch tối đa là khụng vƣợt quỏ giỏ trị cho phộp.
A B B A B C A B Hỡnh 2.3- Mụ hỡnh điều khiển tỷ lệ cố định
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2.2. Mụ hình điều khiển PSA
Mụ hỡnh này xỏc định vị trớ của mặt trời từ thuật toỏn Almeria (Plataforma Solar de Almeria). Tham số đƣợc dựng là kinh độ và vĩ độ căn cứ vào vị trớ địa lý của của gƣơng và biến là thời gian đƣợc tớnh từ bộ vi xử lý. Tớn hiệu phản
hồi đƣợc lấy từ encoder xỏc định vị trớ, để so sỏnh vị trớ tớnh toỏn với vị trớ thực của gƣơng.
Vị trớ mặt trời đƣợc xỏc định nhƣ sau
jd=[1461 x {y+4800(m–14)/12}]/4 + (367 x [m–2–12x{(m–14)/12}])/12 -(3 x [{y+4900 + (m –14 )/12 }/100]))/4+ d – 32075 – 0.5 + hour / 24.0 (1) n= jd – 2451545.0 (2) ψ = 2.1429 – 0.0010394594n (3) L= 4.8950630 + 0.017202791698n (4) g= 6.2400600 + 0.0172019699n (5) l = L + 0.03341607 X sin (g) + 0.00034894 X sin (2g) – 0.0001134 –0.0000203 X sin (ψ). (6) ep= 0.4090928 – 6.2140 X 10G9 X n +0.0000396 X cos (ψ) (7)
ra= tanGạ [{ cos (ep) X sin (l)}/ cos (l) ] (8)
δ = sinGạ { sin (ep) X sin (l) } (9)
gmst= 6.6974243242 + 0.0657098283 X (n) + hour (10)
lmst= (gmst X 15 + long) X (π/180) (11)
ω = lmst – ra (12)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
θz = cos-1 [cos(Ф) cos(ω) cos(δ) + sin(δ)sin(Ф)] (13)
) cos( ) sin( ) cos( ) tan( ) sin( tan 1 (14) ) sin( z alUnit Astronomic adius EarthMeanR Parallax (15) t = z + Parallax (16) t ) / 180 tan( ) sin( tan 1 (17) Trong đú: jd: ngày Julian; y: năm hiện tại; m: thỏng hiện tại; d: ngày hiện tại; hour: giờ hiện tại;
n: sai lệch giữa ngày Julian hiện tại và ngày Julian 2451545.0 (01-01-2000); L: kinh độ của mặt trời;
g: khoảng cỏch trung bình từ mặt trời đến quả đất; l: kinh độ hoàng đạo của mặt trời;
ep: độ nghiờng của quả đất so với mặt trời; ra: xớch kinh;
: thiờn độ;
gmst: thời gian thiờn văn Greenwich; lmst: thời gian thiờn văn địa phƣơng; long: kinh độ địa lý;
: vĩ độ địa lý;
: gúc giờ;
z: thiờn đỉnh cự;
: gúc phƣơng vị mặt trời;
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
EarthMeanRadius = 6371.01 km; AstronomicalUnit = 149597890 km.
2.2.3. Mụ hình điều khiển thụng minh
Mụ hình sử dụng bộ điều khiển logic mờ, dựa trờn một thuật toỏn điều khiển thụng minh để xỏc định cỏc tớn hiệu đầu ra là tốc độ động cơ tryền động. Mụ hình điều khiển này đƣợc dựa trờn nền tảng với ba đầu vào là vị trớ gƣơng (trough), nhiệt độ của chất lỏng, tốc độ giú. Ba biến đầu vào là nhiệt độ chất lỏng, giú và một biến đầu ra tốc độ động cơ.
Sau khi đặt tờn cho cỏc biến đầu vào và biến đầu ra đó xỏc định đƣợc cỏc hàm liờn thuộc đối với mỗi đầu vào và đầu ra. Cỏc hàm liờn thuộc sử dụng cho biến đầu vào là dạng hình thang vuụng, biến đầu ra là dạng hàm singleton.
Cỏc hàm liờn thuộc xõy dựng từ cỏc biến của đối tƣợng gồm: - Tốc độ giú
- Vị trớ của mỏng phản xạ - Nhiệt độ chất lỏng
- Tốc độ động cơ truyền động. Luật điều khiển xõy dựng trờn cơ sở:
- Dữ liệu lấy từ phong tốc kế.
- Dữ liệu lấy từ encoder vị trớ mỏng phản xạ. - Dữ liệu lấy từ cảm biết nhiệt độ.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 2.5- Mụ hỡnh điều khiển dựng Fuzzy Controller
2.3. Kết luận chƣơng 2
Hầu hết cỏc hệ thống điều khiển gƣơng mặt trời là hệ hở. Trong mụ hình điều khiển tỷ lệ cố định, biến tốc độ lập trình để xoay mỏng phản xạ với một tốc độ khụng đổi dựa trờn sự chuyển động của mặt trời. Trong mụ hình điều khiển PSA, thuật toỏn đƣợc xỏc định bằng cỏc phƣơng trình toỏn học dựa trờn vị trớ của mặt trời. Trong cả hai mụ hình trờn, phản hồi vị trớ đƣợc dựng nhƣ một tham số mẫu, thực tế khụng nhất thiết phải cần cú trong bài toỏn điều khiển. Tuy nhiờn trong mụ hình điều khiển thụng minh, bộ dũ vị trớ, tốc độ giú và nhiệt độ chất lỏng truyền nhiệt là cần thiết cho việc xỏc định vị trớ của cỏc mỏng phản xạ.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG III
GIỚI THIỆU VỀ ĐẠI SỐ GIA TỬ
Trong chƣơng này chúng ta nghiờn cứu cơ sở lý thuyết về logic mờ, logic ngụn ngữ, lập luận xấp xỉ và lý thuyết Đại số gia tử để ứng dụng vào tự động hoỏ nhằm mục đớch giải quyết cỏc cỏc bài toỏn điều khiển ở cỏc chƣơng tiếp theo.
Nhƣ chúng ta đó biết, cỏc tri thức chuyờn gia thƣờng đƣợc cho ở dạng ngụn ngữ. Để xõy dựng hệ lập luận với cỏc tri thức dạng này chúng ta cần biểu diễn đƣợc cỏc khỏi niệm ngụn ngữ và cơ sở lý luận kốm theo. Vấn đề là phƣơng phỏp biểu diễn đƣợc xõy dựng nhƣ thế nào để phản ỏnh tốt nhất, trong chừng mực cú thể, cấu trúc ngữ nghĩa của cỏc giỏ trị ngụn ngữ trong thực tế, đồng thời nú dẫn đến cấu trúc toỏn học đủ tốt cho phộp thực hiện cỏc tớnh toỏn một cỏch hiệu quả. Cho đến nay chƣa cú một phƣơng phỏp nào đỏp ứng đƣợc đầy đủ cả hai yờu cầu này cho mọi biến ngụn ngữ và cú lẽ cũng khụng tồn tại một phƣơng phỏp lý tƣởng nhƣ vậy.
Vào những năm 1990, Nguyễn Cỏt Hồ đó phỏt minh ra lý thuyết đại số gia tử. Ngày nay lý thuyết này đang đƣợc phỏt triển và một trong những mục tiờu của nú là giải quyết bài toỏn suy luận xấp xỉ. Cú thể tìm hiểu kỹ cỏc vấn đề này trong những cụng trình nghiờn cứu gần đõy.
Chúng ta sẽ nghiờn cứu phƣơng phỏp này để xõy dựng khụng gian hàm thuộc của miền giỏ trị ngụn ngữ của một biến ngụn ngữ. Nhƣ chúng ta sẽ thấy sau này, phƣơng phỏp của chúng ta dựa trờn quan sỏt thực tế về ngữ nghĩa của khỏi niệm mờ sử dụng ngụn ngữ hằng ngày nhƣ đó phõn tớch trong [13, 15]. Do đú, theo cỏch xõy dựng của chúng ta, khụng gian hàm thuộc của miền giỏ trị của của một biến ngụn ngữ cũng cú hai phần tử sinh nguyờn thủy (khụng kể phần tử trung tớnh) và cũng cú cấu trúc đại số đủ tốt để thực hiện nhiệm vụ tớnh toỏn. Sau đú chúng ta xõy dựng một hệ hỗ trợ quyết định dựa vào phƣơng phỏp lập luận xấp xỉ trờn mụ hình hàm thuộc tham số. Với phƣơng phỏp lập luận này chúng ta sẽ xõy dựng thuật toỏn tự động hoỏ hỗ trợ, đú là phƣơng phỏp dựng lý thuyết Đại số gia tử.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn … x1 … xq à … H 1 R1 H q R q B ’ y’ y’ 3.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản
Một bộ điều khiển mờ cơ bản thƣờng bao gồm cỏc khõu: fuzzy húa, thiết bị hợp thành (thiết bị thực hiện luật hợp thành) và khõu giải mờ. Một bộ điều khiển mờ chỉ gồm 3 thành phần trờn gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản.
Hỡnh 3.1- Bộ điều khiển mờ cơ bản
Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ cú khả năng xử lý cỏc giỏ trị tớn hiệu hiện thời nờn nú thuộc nhúm cỏc bộ điều khiển mờ tĩnh.
Hỡnh 3.2- Một bộ điều khiển mờ động
Để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào cỏc bài toỏn điều khiển động, cỏc khõu động học cần thiết sẽ đƣợc đƣa thờm vào bộ điều khiển mờ cơ bản. Cỏc khõu động đú chỉ cú nhiệm vụ cung cấp thờm cho bộ điều khiển mờ cơ bản cỏc giỏ trị đạo hàm hay tớch phõn của tớn hiệu. Cựng với những khõu động bổ xung này, bộ điều khiển khụng cũn là bộ điều khiển mờ cơ bản nữa mà đơn thuần nú đƣợc gọi là bộ điều khiển mờ.
Khõu mờ hoỏ: Cú nhiệm vụ biến đổi giỏ trị rừ đầu vào thành một miền giỏ trị
mờ với hàm liờn thuộc đó chọn ứng với biến ngụn ngữ đầu vào đó đƣợc định