thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng đại số gia tử

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA




THIẾT KẾ TỐI ƯU
BỘ ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐẠI SỐ GIA TỬ




Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Học viên: LÊ VĂN TÙNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HỮU CÔNG

THÁI NGUYÊN 2012
1Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP






LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA



THIẾT KẾ TỐI ƯU
BỘ ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐẠI SỐ GIA TỬ

BAN
GIÁM HIỆU
KHOA
SAU ĐẠI HỌC
GIÁO VIÊN
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG
HỌC VIÊN





LÊ VĂN TÙNG







THÁI NGUYÊN, 2012
2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết
quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.

Tác giả luận văn


Lê Văn Tùng















3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tâm và nghiêm khắc
của PGS.TS. Nguyễn Hữu Công. Lời đầu tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn
Thầy đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho em những tài liệu để hoàn thành

luận văn này, cũng như việc truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt
thời gian làm luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện tử và Khoa
Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện
giúp đỡ tận tình trong việc nghiên cứu đề tài.
Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám
hiệu, Khoa Sau Đại học Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này.

Tác giả luận văn


Lê Văn Tùng

4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ ix
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG
THỰC TẾ 5

1.1. Nguồn năng lượng mặt trời 5
1.2. Đặc điểm của năng lượng mặt trời trên bề mặt quả đất 6
1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời 7
1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng 7
1.4.1. Hiệu ứng nhà kính 7
1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng 8
1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời 9
1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng NLMT 10
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên 10
1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng bức 12
1.5.2. Sấy bằng NLMT 13
1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lưu tự nhiên 14
1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức 15
1.5.3. Chưng lọc nước bằng NLMT 17
1.5.4. Bếp mặt trời 18
1.5.4.1. Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kính 18
1.5.4.2. Bếp mặt trời hội tụ 19
5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


iv

1.5.5. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại 20
1.5.6. Pin mặt trời 21
1.5.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 22
1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT 24
1.6. Kết luận 27
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI.29
2.1. Vai trò của hệ thống pin mặt trời 29
2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lượng dùng pin mặt trời 30

2.2.1. Nguyên lý làm việc của pin mặt trời 30
2.2.2. Hệ thống điều khiển pin mặt trời 34
2.2.3. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng Fuzzy Controller 35
2.3. Kết luận 36
CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU VỀ ĐẠI SỐ GIA TỬ 37
3.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản 38
3.1.1. Mờ hoá 39
3.1.2. Sử dụng luật hợp thành 40
3.1.3. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ 40
3.1.4. Giải mờ 41
3.1.5. Nguyên lý điều khiển mờ 42
3.1.6. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ 45
3.1.6.1. Định nghĩa các biến vào/ra 45
3.1.6.2. Xác định tập mờ 45
3.1.6.3. Xây dựng các luật điều khiển 47
3.1.6.4. Chọn thiết bị hợp thành 47
3.1.6.5. Chọn nguyên lý giải mờ 47
3.1.6.6. Tối ưu 48
3.2. Đại số gia tử 48
3.2.3. Đại số gia tử tuyến tính đầy đủ 55
6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


v

3.3. Điều khiển sử dụng đại số gia tử 58
3.4. Kết luận chương 3 60
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI 61
4.1.Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động 61
4.1.1. Đặc tính quá độ của hệ thống ĐKTĐ 61

4.1.2. Các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ĐKTĐ 61
4.1.2.1. Chất lượng động 61
4.1.2.2. Chất lượng tĩnh 62
4.1.2.3. Chất lượng ở quá trình quá độ 63
4.1.2.4. Chất lượng hỗn hợp 65
4.2. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống 66
4.2.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời 66
4.2.2. Mô hình toán học của hệ thống pin mặt trời 67
4.3. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ 70
4.3.1. Định nghĩa các biến vào ra 70
4.3.2. Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra 71
4.3.3. Xây dựng các luật điều khiển 74
4.3.4. Chọn thiết bị hợp thành và nguyên lý giải mờ 74
4.3.5. Sơ đồ và kết quả mô phỏng 76
4.4. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển Đại số gia tử 76
4.4.1. Thiết kế bộ điều khiển Đại số gia tử có α=β 76
4.4.2. So sánh chất lượng hệ thống khi dùng BĐK mờ và ĐSGT (α=β) 82
4.5. Thiết kế tối ưu cho bộ điều khiển bằng đại số gia tử 83
4.5.1. Yêu cầu thiết kế tối ưu 83
4.5.2. Thiết kế tối ưu bộ điều khiển bằng Đại số gia tử sao cho J
1
min 83
4.5.3. Thiết kế bộ điều khiển Đại số gia tử có α≠β 84
4.5.3.1. Khi α = 0.1, β = 0.9 84
4.5.3.2. Lập bảng thống kê giá trị khi thay đổi α và β của bộ điều khiển 88
7Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vi

4.5.4. Thiết kế tối ưu bộ điều khiển bằng Đại số gia tử sao cho J
2
min 89
4.6. Kết luận chương 4 92
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO93
TÀI LIỆU THAM KHẢO 94
PHỤ LỤC 97













8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NLMT : Năng lượng mặt trời
BXMT : Bức xạ mặt trời
PMT : Pin mặt trời

FLC : Fuzzy Logic Controller (Bộ điều khiển mờ)
BĐK : Bộ điều khiển
BDD : Bộ biến đổi điện

9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. So sánh hiệu suất của pin mặt trời đặt cố định và có điều khiển 35
Bảng 4.1. Các trạng thái khác nhau của pin mặt trời 68
Bảng 4.2. Các luật điều khiển hợp thành 74
Bảng 4.3. Bảng SAM 79
Bảng 4.4. Bảng thực hiện phép Product khi α=β 80
Bảng 4.5. Bảng SAM 86
Bảng 4.7. Giá trị tiêu chuẩn tích phân J 88
Bảng 4.8. Giá trị tiêu chuẩn tích phân J theo tốc độ biến thiên của sai lệch khi
γ =0.2 90
Bảng 4.9. Giá trị tiêu chuẩn tích phân J theo tốc độ biến thiên của sai lệch khi
γ =1.5 91







10Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Phổ BXMT 6
Hình 1.2. Sự chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng của quả 6
Hình 1.3. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính 8
Hình 1.4. Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng 10
Hình 1.5. Hệ sản xuất nước nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên 11
Hình 1.6. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên gồm nhiều bộ thu nối
song song 12
Hình 1.7. Hệ sản xuất nước nóng bằng NLMT đối lưu cưỡng bức 12
Hình 1.8. Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lưu tự nhiên 15
Hình 1.9. Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lưu cưỡng bức 16
Hình 1.10. Hệ sấy đối lưu cưỡng bức gián tiếp 16
Hình 1.11. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước bằng NLMT 17
Hình 1.12. Một thiết kế thông dụng của hệ lọc nước bằng NLMT 17
Hình 1.13. Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính 18
Hình 1.14. Bếp NLMT hội tụ 19
Hình 1.15. Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT 20
Hình 1.16. Hệ thống sưởi NLMT sử dụng nước làm chất thu và tải nhiệt 21
Hình 1.17. Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si 22
Hình 1.18 . Sơ đồ cấu tạo PMT Si 23
Hình 1.19. Một mô đun PMT hoàn thiện 23
Hình 1.20. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới 25
Hình 1.21. Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập 26
Hình 2.1. Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình 30
Hình 2.2. Các bước chuyển đổi chi tiết và cơ chế mất mát trong tế bào năng

lượng mặt trời. Các ký hiệu trong dấu ( ) thể hiện số lượng cho phép cho cơ
chế mất mát cụ thể trong ECD 31
Hình 2.3. Công suất đầu ra của pin mặt trời 34
Hình 2.4. Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển mờ 35
Hình 2.5. Mô hình thực của bộ điều khiển 36
11Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


x

Hình 3.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản 38
Hình 3.2. Một bộ điều khiển mờ động 38
Hình 3.3. Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ 42
Hình 3.4. Bộ điều khiển mờ PID 44
Hình 3.5. Độ đo tính mờ 52
Hình 3.6. Bộ điều khiển dựa trên đại số gia tử 59
Hình 4.1. Đặc tính quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian 61
Hình 4.2.Đặc tính quá độ y(t) với tín hiệu vào x(t)=1(t) 62
Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn đặc tính L  65
Hình 4.4. Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời 66
Hình 4.5. Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời 67
Hình 4.6: Đặc trưng của động cơ một chiều 68
Hình 4.7. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 71
Hình 4.8. Định nghĩa các tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ 72
Hình 4.9. Định nghĩa các tập mờ cho biến dUH của bộ điều khiển mờ 73
Hình 4.10. Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 73
Hình 4.11. Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển 74
Hình 4.12. Quan sát tín hiệu vào ra của bộ ĐK mờ 75
Hình 4.13. Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 75
Hình 4.14. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tự động 76

Hình 4.15. Đáp ứng đầu ra của hệ thống 76
Hình 4.16. Hàm liên thuộc đầu vào UH 76
Hình 4.17. Hàm liên thuộc đầu vào dUH 77
Hình 4.18. Hàm liên thuộc đầu ra U 77
Hình 4.19. Chuyển tuyến tính cho các biến UH, dUH, U 80
Hình 4.20. Đường cong ngữ nghĩa trung bình 81
Hình 4.21. Sơ đồ mô phỏng hệ thống dùng BĐK Đại số gia tử α=β 81
Hình 4.22. Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi α=β 81
Hình 4.23. Sơ đồ mô phỏng 2 bộ điều khiển 82
Hình 4.24. Đáp ứng của hệ thống 82
Hình 4.25. Sơ đồ mô phỏng và đánh giá chỉ tiêu J
1
83
12Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


xi

Hình 4.26. Chuyển tuyến tính cho các biến UH, dUH, U 86
Hình 4.27. Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi α = 0.1, β = 0.9 87
Hình 4.28. Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi α = 0.1, β = 0.9 88
Hình 4.29. Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi α = 0.4, β = 0.6 89
Hình 4.30. Sơ đồ mô phỏng và đánh giá chỉ tiêu J
2
90
Hình 4.31. Sơ đồ mô phỏng hệ thống theo chỉ tiêu tích phân γ =0.2 90
Hình 4.32. Sơ đồ mô phỏng hệ thống theo chỉ tiêu tích phân γ =1.5 91

13Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật, công nghệ
thông tin góp phần cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá.
Trong công nghiệp, điều khiển quá trình sản xuất đang là mũi nhọn và then
chốt để giải quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Một
trong những vấn đề quan trọng trong điều khiển là việc tự động điều chỉnh độ
ổn định và sai số là ít nhất trong khoảng thời gian điều khiển là ngắn nhất,
trong đó phải kể đến các hệ thống điều khiển mờ đang được sử dụng rất rộng
rãi hiện nay.
Trong quá trình điều khiển trên thực tế, người ta luôn mong muốn có
một thuật toán điều khiển đơn giản, dễ thể hiện về mặt công nghệ và có độ
chính xác càng cao càng tốt. Đây là những yêu cầu khó thực hiện khi thông
tin có được về tính điều khiển được và về mô hình động học của đối tượng
điều khiển chỉ được biết mơ hồ dưới dạng tri thức chuyên gia theo kiểu các
luật IF-THEN. Để đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình xử lý thông tin
và điều khiển cho hệ thống làm việc trong môi trường phức tạp, hiện nay một
số kỹ thuật mới được phát hiện và phát triển mạnh mẽ đã đem lại nhiều thành
tựu bất ngờ trong lĩnh vực xử lý thông tin và điều khiển. Trong những năm
gần đây, nhiều công nghệ thông minh được sử dụng và phát triển mạnh trong
điều khiển công nghiệp như công nghệ nơron, công nghệ mờ, công nghệ tri
thức, giải thuật di truyền, … Những công nghệ này phải giải quyết với một

mức độ nào đó những vấn đề còn để ngỏ trong điều khiển thông minh hiện
nay, đó là hướng xử lý tối ưu tri thức chuyên gia.
Tri thức chuyên gia là kết quả rút ra từ quá trình tổ chức thông tin phức
tạp, đa cấp, đa cấu trúc, đa chiều nhằm đánh giá và nhận thức được (càng
chính xác càng tốt) thế giới khách quan. Tri thức chuyên gia được thể hiện
14Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2

dưới dạng các luật mang tính kinh nghiệm, các luật này là rất quan trọng vì
chúng tạo thành các điểm chốt cho mô hình suy luận xấp xỉ để tìm ra đại
lượng điều khiển cho phép thoả mãn (có khả năng tối ưu) mục tiêu điều khiển
với độ chính xác nào đó. Chiến lược suy luận xấp xỉ càng tốt bao nhiêu, đại
lượng điều khiển tìm được càng thoả mãn tốt bấy nhiêu mục tiêu điều khiển
đề ra. Các thuật toán điều khiển hiện nay ngày càng có mức độ thông minh
cao, tích hợp trong đó các suy luận, tính toán mềm dẻo hơn để có thể hoạt
động được trong mọi điều kiện đa dạng, phức tạp hoặc với độ bất định cao,
tính phi tuyến lớn của đối tượng điều khiển.
Logic mờ đã đem lại cho công nghệ điều khiển truyền thống một cách
nhìn mới, nó cho phép điều khiển được khá hiệu quả các đối tượng không rõ
ràng về mô hình trên cơ sở tri thức chuyên gia đầy cảm tính. Điều khiển mờ là
một thành công của sự kết hợp giữa logic mờ và lý thuyết điều khiển trong
quá trình đi tìm các thuật toán điều khiển thông minh. Chìa khóa của sự thành
công này là sự giải quyết tương đối thỏa đáng bài toán suy luận xấp xỉ (suy
luận mờ). Tuy vậy không phải không còn những vướng mắc. Một trong
những khó khăn của các lý thuyết suy luận xấp xỉ là độ chính xác chưa cao và
sẽ còn là bài toán mở trong tương lai.
Công nghệ tính toán mềm là sự hội tụ của công nghệ mờ và công nghệ
nơron và lập trình tiến hoá nhằm tạo ra các mặt cắt xuyên qua tổ chức thông

tin phức tạp nói trên, tăng cường khả năng xử lý chính xác những tri thức trực
giác của các chuyên gia.
Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào độ
chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không cần thiết
hoặc không thể có được, trong khi đó điều khiển mờ có thể xử lý những thông
tin “không chính xác” hay “không đầy đủ”. Những thông tin mà sự chính xác
15Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


3

của nó chỉ nhận thấy được giữa các quan hệ của chúng đối với nhau và cũng
chỉ mô tả được bằng ngôn ngữ, đã cho ra quyết định hợp lý.
Mặc dù logic mờ và lý thuyết mờ đã chiếm một vị trí vô cùng quan
trọng trong kỹ thuật điều khiển. Tuy nhiên, nhiều bài toán điều khiển đòi hỏi
tính trật tự theo ngữ nghĩa của hệ luật điều khiển. Điều này lý thuyết mờ chưa
đáp ứng được đầy đủ. Để khắc phục khó khăn này, trong luận văn đề cập đến
lý thuyết đại số gia tử, một công cụ đảm bảo tính trật tự ngữ nghĩa, hỗ trợ cho
logic mờ trong các bài toán suy luận nói chung và điều khiển mờ nói riêng.
Có thể thấy đây là một sự cố gắng lớn nhằm mở ra một hướng giải quyết mới
cho xử lý biến ngôn ngữ tự nhiên và vấn đề tư duy trực cảm.
Lý thuyết đại số gia tử được hình thành từ những năm 1990. Ngày nay
lý thuyết này đang được phát triển và một trong những mục tiêu của nó là giải
quyết bài toán suy luận xấp xỉ. Có thể tìm hiểu kỹ các vấn đề này trong những
công trình nghiên cứu gần đây.
Lý thuyết đại số gia tử với tính ưu việt về suy luận xấp xỉ so với các lý
thuyết khác hoàn toàn có thể ứng dụng vào bài toán điều khiển tự động.
Việc lựa chọn các tham số α và β là rất quan trọng để hệ thống đảm
bảo yêu cầu công nghệ điều khiển. Trong luận văn sử dụng phương pháp thực
nghiệm trên máy tính để xác định α và β sao cho hệ thống tối ưu, trong đó hệ

tối ưu được đánh giá qua chỉ tiêu tích phân sai lệch của hệ thống J
min
.
Qua quá trình nghiên cứu và ứng dụng cho thấy rằng có thể sử dụng
công cụ đại số gia tử cho nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau và một trong
những số đó là công nghệ điều khiển trên cơ sở tri thức chuyên gia.
Luận văn “Thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng Đại số gia tử”, sử dụng
phương pháp thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng Đại số gia tử để điều khiển hệ
thống PIN mặt trời, sao cho hiệu quả thu nhiệt là lớn nhất, tức là tối ưu về mặt
điều khiển, đồng thời có tính linh hoạt cao.
16Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


4

Phần nội dung của bản luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Năng lượng mặt trời và một số ứng dụng thực tế
Chương 2: Tổng quan về các hệ thống pin mặt trời
Chương 3: Giới thiệu về Đại số gia tử
Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển PIN mặt trời
Do trình độ và thời gian hạn chế, em rất mong nhận được những ý kiến
góp ý của các thầy, cô giáo và các ý kiến đóng góp của đồng nghiệp.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của
PGS.TS.Nguyễn Hữu Công và sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa
Điện tử, khoa Điện - trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012
Người thực hiện

17Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


5

CHƯƠNG 1
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ

1.1. Nguồn năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ
rất sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô
rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước
nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc.
Có thể xem mặt trời là một quả cầu cách quả đất 150 triệu km. Đường
kính mặt trời khoảng 1,4 triệu km, lớn hơn 109 lần đường kính quả đất. Áp
suất ở phần trong mặt trời rất cao, cao hơn áp suất khí quyển ở quả đất khoảng
chục triệu lần. Nhiệt độ trên mặt trời biến đổi từ hơn 15 triệu độ ở trong lõi tới
6000 độ ở mặt ngoài của nó.
Thành phần hóa học của mặt trời: khoảng 70-71% khí Hydro (H
2
),
27-29% Heli (He), các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ
chiếm 1-3%.
Các điều kiện về áp suất, nhiệt độ và thành phần khí quyển trên mặt trời
là điều kiện lý tưởng cho phản ứng nhiệt hạt nhân và tạo ra nguồn năng lượng

khổng lồ. Công suất bức xạ của mặt trời là 3,86.10
26
W, tương đương năng
lượng đốt cháy hết 1,32.10
16
tấn than đá.
Tuy nhiên bề mặt quả đất chỉ nhận được 17,57.10
16
W, tương đương
năng lượng đốt cháy hết 6 triệu tấn than đá.
Năng lượng mặt trời (NLMT) rất lớn, nhưng phân bố lại mỏng, chỉ
khoảng 800-1000W/m2 nên việc khai thác khá khó khăn.
Bản chất bức xạ mặt trời (BXMT) là sóng điện từ có phổ bước sóng rất
rộng, từ hàng km đến phần tỷ µm. Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0.4
đến 0,7µm, chỉ chiếm một phần rất nhỏ phổ BXMT (hình 1.1).
18Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


6







Hình 1.1. Phổ BXMT
Tuy nhiên khi BXMT xuyên qua lớp khí quyển tới bề mặt quả đất, do
các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,… làm tán xạ, hấp thụ, nên phổ và
cường độ BXMT trên mặt đất bị giảm đi rất đáng kể.

1.2. Đặc điểm của năng lượng mặt trời trên bề mặt quả đất
Ta biết, quả đất quay xung quanh mặt trời trên quĩ đạo elip, khoảng
cách từ quả đất đến mặt trời khoảng 150 triệu km. Nó quay một vòng mất
365,25 ngày (một năm). Đồng thời quả đất lại tự quay xuang quanh trục Bắc-
Nam của nó. Thời gian quay một vòng là 24 giờ (một ngày đêm). Đặc biệt,
trục quay riêng Bắc-Nam của quả đất lại tạo một góc 23,5
0
so với pháp tuyến
của mặt phẳng quĩ đạo của nó quay xung quanh mặt trời (hình 1.2). Tổng hợp
của các chuyển động đó dẫn tới kết quả là cường độ BXMT biến đổi liên tục
theo thời gian (theo giờ, ngày, tháng, mùa trong năm) và cũng còn biến đổi
theo vị tuyến trên mặt đất.








Hình 1.2. Sự chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng của quả
21-
9

Thu
phân

21
-
12

Đông chí


21
-
6
H
ạ chí


21-3
Xuân phân

Quĩ đạo của quả đất

Tia mặt trời Tia mặt trời
Mặt trời

23,5
0

23
,5
0

Vĩ tuyến

23,5
0
Bắc

Vĩ tuyến

23,5
0
Nam
Trục quay riêng

của quả đất

Pháp tuyến quĩ đạo


quả đất
N

N

N

N

N

N

N
N

B

B
B
B
Đường xích đạo


Đường xích đạo

Tia

γ
10
-
10

10
-
8

10
-
6

10
10

10
-
4

10
-
2

10
0

10
2

10
4

10
6

10
8

10
12

10
14

Tia
vũ
trụ
Tia
Rơnghen

Tia t
ử
ngoại
Tia
nhìn
thấy
Tia
hồng
ngoại
Sóng
ngắn
Sóng vô tuy
ến
điện



λ(µ)m)
19Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


7

1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời
BXMT tới mặt đất gồm 2 thành phần được gọi là trực xạ và nhiễu xạ.
Trực xạ là thành phần tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới điểm quan sát
trên mặt đất không bị thay đổi phương truyền. Nó phụ thuộc vào vị trí mặt
trời và vào thời tiết.
Nhiễu xạ là các thành phần gồm các tia sáng đến điểm quan sát từ mọi
hướng do các tia mặt trời khi qua lớp khí quyển của quả đất bị tán xạ, nhiễu

xạ trên các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,… Thành phần nhiễu xạ cũng
phụ thuộc vào vị trí mặt trời và thời tiết.
Tổng của các thành phần trực xạ và nhiễu xạ gọi là Tổng xạ.
Các đại lượng trực xạ, nhiễu xạ hay tổng xạ được đo trong cả ngày và
theo đơn vị MJ/ m
2
.ngày hay kW/ m
2
.ngày.
Thông thường ở các Trạm khí tượng thuỷ văn người ta đo trực xạ, nhiễu
xạ và tổng xạ trên mặt nằm ngang. Trong khi đó các bộ thu NLMT lại có bề mặt
đặt nghiêng một góc β nào đó, nên cần phải có các hiệu chính chuyển đổi từ
cường độ BXMT đo được trên mặt nằm ngang sang mặt nghiêng. Tuy nhiên số
hiệu chính này không lớn, nên dưới đây chúng ta sẽ bỏ qua.
1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng
1.4.1. Hiệu ứng nhà kính
Bộ thu phẳng được chế tạo dựa trên nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”.
Nguyên lý hoạt động như sau: Các loại kính xây dựng cho các tia BXMT có
bước sóng λ < 0,7µm truyền qua một cách dễ dàng, trong khi đó các bức xạ
có λ < 0,7µm (các tia này còn được gọi là tia nhiệt) thì bị kính phản xạ trở lại.
Trước hết ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt trời như hình 1.3. Mặt trên
hộp được đậy bằng tấm kính (1). Thành xung quanh và đáy hộp có lớp vật
liệu cách nhiệt dày (2). Đáy trong của hộp được làm bằng tấm kim loại dẫn
nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và được gọi
là tấm hấp thụ (3).
20Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


8

Hình 1.3. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính
Như đã nói ở trên, các tia BXMT có bước sóng λ < 0,7µm tới mặt hộp
thu, đi qua tấm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm này
hấp thụ năng lượng BXMT và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ
nóng lên, khi đó nó trở thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ
nhiệt có bước sóng λ>0,7µm, hướng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị
tấm kính ngăn lại, không ra ngoài được. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận
BXMT nên tấm hấp thụ được nung nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ
hàng trăm độ. Như vậy năng lượng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống
như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được nhưng không thể ra đựơc. Đó là
nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”. Nhiệt độ của tấm hấp thụ càng cao, phát xạ
nhiệt từ mặt hấp thụ càng lớn, cho đến khi năng lượng mà tấm hấp thụ nhận
được từ BXMT cân bằng với năng lượng mất mát cho môi trường xung quanh
thì trạng thái cân bằng nhiệt được thiết lập.
Bộ thu phẳng có cấu tạo dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhà kính như đã
mô tả trên, nhưng tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng nhiệt khác nhau phần thu
nhiệt có thể có các dạng kết cấu khác nhau.
1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng
Bộ thu NLMT có thể được ứng dụng trong nhiều mục đích khác nhau
như để sản xuất nước nóng, sấy sản phẩm, chưng cất nước, v.v…Nó có thể có
nhiều hình dạng khác nhau được thiết kế cho phù hợp với mục đích sử dụng.
21Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


9

Dưới đây chúng ta chỉ nghiên cứu dạng phẳng, tức là dạng mà tấm hấp thụ là
tấm phẳng. Hình 1.3 trên cũng chính là là sơ đồ cấu tạo của một bộ thu
NLMT hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính.

Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một
hay vài lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các
tấm trong suốt khác như thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v Đối với vật liệu
ngoài thủy tinh tuy có độ bền cơ học cao hơn, nhưng độ già hoá lại nhanh, do
đó hệ số truyền qua sau khoảng 5 -10 năm có thể giảm 5 ÷ 10%.
Tấm hấp thụ là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ một
lớp sơn hấp thụ ánh sáng màu đen. Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng
cao càng tốt, ví dụ > 85%, thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao.
Ngoài ra, tấm hấp thụ bằng vật liệu kim loại còn để việc hàn các thành
phần khác (ví dụ ống nước bằng kim loại nếu bộ thu dùng để đun nước
nóng) được dễ dàng hơn.
Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá
dày để giảm hao phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh. Vật liệu cách nhiệt
thường dùng là “xốp bọt biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất
dưới dạng tấm hoặc hạt, cũng có thể dùng vật liệu khác như bông thuỷ tinh,
mút, gỗ khô, mùn cưa,
Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngày nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có
thể đạt đến 100 ÷115
0
C hoặc cao hơn.
Tuỳ mục đích sử dụng mà người ta thiết kế bộ thu có thêm các thành
phần phụ khác và tấm hấp thụ có hình dạng khác nhau như chúng ta sẽ trình
bày trong các phần sau.
Hiệu suất của các bộ thu thông thường trong khoảng 35 ÷45%.
1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời
Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973,
NLMT càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi
22Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10

tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ
biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:
1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng NLMT
Nước nóng rất cần thiết cho sinh hoạt trong gia đình, cơ quan và cũng
rất cần thiết cho các quá trình sản xuất trong nhà máy, các dịch vụ trong các
khách sạn, nhà hàng, bệnh viện, v.v
Về cơ bản một thiết bị sản xuất nước nóng là một bộ thu NLMT nói
trên. Trong thiết bị đun nước, người ta hàn vào tấm hấp thụ một hệ thống ống
kim loại (như các ống bằng đồng hay ống nước mạ kẽm, xem hình 1.4) và sau
đó cho nước chảy qua hệ ống đó. Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ được truyền qua
thành ống vào nước và làm nước nóng dần lên. Hình 1.4 là sơ đồ một bộ thu
để sản xuất nước nóng.









Hình 1.4. Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng
Ban ngày khi có nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có thể đạt hơn 100
o
C. Để
nước nóng có nhiệt độ cao (thông thường khoảng 80÷85
o
C về mùa hè,

35÷45
0
C về mùa đông) người ta cho nước chảy qua bộ thu nhiều lần theo các
chu trình đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức.
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên
Hình 1.5 là sơ đồ một hệ thống sản xuất nước nóng dùng nguyên lý đối
lưu tự nhiên. Nước lạnh khi qua bộ thu nhiệt mặt trời sẽ nóng lên, khối lượng
23Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


11

riêng giảm nên chảy lên phía trên. Phía dưới áp các ống áp suất nước bị giảm
nên nước lạnh lại chảy vào. Cứ như thế nước sẽ tự động chuyển động tuần
hoàn theo chiều mũi tên chỉ ra trên hình 1.5. Kết quả là dòng nước sẽ tự chảy
qua bộ thu nhiều lần và do đó nước trong bình chứa (có lớp cách nhiệt tốt
xung quanh) sẽ đạt được nhiệt độ cao.
Khi lấy nước nóng trong bình chứa để sử dụng, nước trong bình vơi đi
và nước lạnh tự động chảy bổ sung thêm vào.
Muốn có lượng nước nóng nhiều hơn người ta có thể sử dụng nhiều bộ
thu ghép song song như hình 1.6. Thông thường mỗi bộ thu có kích thước 1 x
2 x 0,2 m để việc chế tạo, vận chuyển và lắp đặt dễ dàng thuận lợi.
Ưu điểm của hệ thống đun nước dùng đối lưu tự nhiên là việc chế tạo
lắp đặt bộ thu đơn giản, rẻ tiền. Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm là
năng suất sản xuất nước nóng thấp. Vì vậy cấu hình sản xuất nước nóng dùng
đối lưu tự nhiên phù hợp cho việc sản xuất nước nóng dùng cho sinh hoạt
trong các hộ gia đình hay các hộ sử dụng nước nóng không nhiều lắm (khách
sạn nhỏ, bệnh xá, trang trại,v.v ).
Hiệu suất bộ thu NLMT theo nguyên lý đối lưu tự nhiên chỉ đạt
35÷40%.

Hình 1.5. Hệ sản xuất nước nóng NLMT
sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên
24Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


12


Hình 1.6. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên
gồm nhiều bộ thu nối song song
1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng bức
Khi cần một lượng nước nóng lớn thì thì hệ thống nước nóng đối lưu tự
nhiên không thích hợp. Khi đó người ta sử dụng hệ thống dùng đối lưu cưỡng
bức. Hình 1.7 là sơ đồ hệ thống sản xuất nước nóng bằng NLMT theo nguyên
lý đối lưu cưỡng bức.


Hình 1.7. Hệ sản xuất nước nóng bằng NLMT đối lưu cưỡng bức
25Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên