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

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:
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
Ngô Kiên Trung v cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 68(6): 60 - 64
61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên

hàm của các tham số về mặt hình học cũng nhƣ
là thông số về độ sai lệch. Những sai lệch này sẽ
gia tăng trong suốt quá 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 ngoài 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 luôn hƣớng chính xác về phía
mặt trời.
SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ - HEDGE
ALGEBRA CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN
Thuật toán Almeria (PSA)
Thuật toán Almeria (PSA)

Hình 3. Vị trí mặt trời theo PSA
Mô hình này xác định vị trí của mặt trời từ thuật
toán 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 toán 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 ngôn 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 ngôn ngữ lớn vô
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

(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

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

[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: