nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển hệ thống gương mặt trời

1

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



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP







LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT






NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI

Ngnh: TỰ ĐỘNG HÓA
M số:
Học viên: DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG
Ngƣời HD khoa học: PGS. TS
NGUYỄN HỮU CÔNG








THÁI NGUYÊN – 2010
2

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



ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜ NG ĐẠ I HỌ C Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI




Học viên: DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG
Lớp: K11 - TĐH
Ngƣời HD khoa học: PGS.TS
NGUYỄN HỮU CÔNG





Ngƣời hƣớng dẫn khoa học






PGS. TS
NGUYỄN HỮU CÔNG

Học viên

DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG

Ban giám hiệu


Khoa Sau Đại học

3

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



1

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





LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây l công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
trong luận án l trung thực v chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.

Tác giả



Dương Vũ Nhật Đồng















2

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



LỜI CẢM ƠN

Luận văn đƣợc hon thnh dƣới sự hƣớng dẫn tận tâm v nghiêm khắc
của PGS.TS Nguyễn Hữu Công. Lời đầu tiên, tác giả xin chân thnh cảm ơn
Thầy đ tận tình hƣớng dẫn v cung cấp cho em những ti liệu để hon thnh
luận văn ny, cũng nhƣ việc truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt
thời gian lm luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện tử v Khoa Điện
Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đ tận tình chỉ bảo trong
suốt khóa học vừa qua.
Xin cảm ơn các thnh viên trong gia đình, những ngƣời luôn dnh cho
tác giả những tình cảm nồng ấm v sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc
sống. Luận văn cũng l món qu tinh thần m tác giả trân trọng gửi tặng đến
các thnh viên trong gia đình.
Cuối cùng xin gửi đến những ngƣời thân yêu, các bạn, các anh chị, các
đồng nghiệp… đ góp ý giúp đỡ về tinh thần cũng nhƣ về kinh nghiệm, kiến
thức một lời biết ơn sâu sắc nhất.

TÁC GIẢ







3

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


MỤC LỤC

Nội dung Trang

Lờ i cam đoan
Lờ i cả m ơn
Mục lục
Danh mụ c cá c bả ng
Danh mụ c cá c hì nh vẽ, đồ thị
Mở đầu 1
Chƣơng I: Năng lƣợng mặt trời và một số úng dụng thực tế 5
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời 5
1.2. Đặc điểm của năng lƣợng mặt trời trên bề mặt quả đất 6
1.3. Các thnh phần của bức xạ mặt trời 7
1.4. Hiệu ứng nh kính v bộ thu phẳng 8
1.4.1. Hiệu ứng nh kính 8
1.4.2.Bộ thu năng lƣợng mặt trời phẳng 9
1.5. Một số ứng dụng năng lƣợng mặt trời 10
1.5.1. Sản xuất nƣớc nóng bằng NLMT 10
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên 11
1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu cƣỡng bức 13
1.5.2. Sấy bằng NLMT 15
1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lƣu tự nhiên 16
1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lƣu cƣỡng bức 17
1.5.3. Chƣng lọc nƣớc bằng NLMT 19
1.5.4. Bếp mặt trời 20
1.5.4.1. Bếp mặt trời kiều hiệu ứng nh kính 20
1.5.4.2 Bếp mặt trời hội tụ 21
1.5.5. Sƣởi ấm nh cửa, chuồng trại 22
4

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

1.5.6. Pin mặt trời 24
1.5.6.1. Cấu tạo v nguyên lý hoạt động 25
1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện pin mặt trời 27
1.6. Kết luận 30
Chƣơng II: Tổng quan về các hệ gƣơng mặt trời 32
2.1. Vai trò của hệ thống gƣơng mặt trời 32
2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dùng máng phản xạ cong 33
2.3. Một số mô hình điều khiển gƣơng mặt trời 35
2.3.1. Mô hình điều khiển tỷ lệ cố định 35
2.3.2. Mô hình điều khiển PSA 37
2.3.3. Mô hình điều khiển thông minh 39
2.4. Kết luận 40
Chƣơng III: Giới thiệu tóm tắt về bộ điều khiển PID và bộ điều khiển
mờ 41
3.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế PID 41
3.1.1 Phƣơng pháp 1 41
3.1.2. Phƣơng pháp 2 44
3.2. Giới thiệu về Logic mờ v bộ điều mờ 53
3.2.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản 54
3.2.1.1. Mờ hoá 55
3.2.1.2. Sử dụng luật hợp thnh 56
3.2.1.3. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ 57
3.2.1.4. Giải mờ 58
3.3. Nguyên lý điều khiển mờ 59
3.4. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ 62
3.4.1. Định nghĩa các biến vo/ra 63
3.4.2.Xác định tập mờ 63
3.4.3. Xây dựng các luật điều khiển 64

5

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


3.4.4. Chọn thiết bị hợp thnh 65
3.4.5.Chọn nguyên lý giải mờ 65
3.4.6. Tối ƣu 65
3.5. Bộ điều khiển mờ lai PID 66
3.5.1. Giới thiệu chung 66
3.5.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 67.
3.6. Kết luận 70
Chƣơng VI: Xây dựng thuật toán điều khiển gƣơng mặt trời 71
4.1. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống 71
4.1.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống gƣơng mặt trời 71
4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống gƣơng mặt trời 71
4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển 76
4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển PID 76
4.2.2. Sử dụng bộ điều khiển mờ động 77
4.3. So sánh chất lƣợng khi dùng bộ điều khiển PID v Mờ 84
4.3.1. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ v PID sau khi thiết kế 84
4.3.2. So sánh chất lƣợng của các bộ điều khiển khi thay đổi giá trị đặt 86
4.3.3. So sánh chất lƣợng của bộ điều khiển PID v Mờ
khi có nhiễu phụ tải 87
4.3.4. Khi thay đổi các thông số động cơ. 89
4.3.4.1. Khi thay đổi giá trị điện cảm L 89
4.3.4.2. Khi thay đổi trị số của mô men quán tính J 91
4.3.5. Kết luận chƣơng 4 93
Kết luận, kiến nghị và hƣớng nghiên cứu tiếp 95
1. Kết luận 95

2. Kiến nghị v hƣớng nghiên cứu tiếp theo 95
Ti liệu tham khảo 96


6

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



CÁC CHỮ VIẾT TẮT


NLMT Năng lƣợng mặt trời
BXMT Bức xạ mặt trời
PMT Pin mặt trời
FLC Fuzzy Logic Control
BĐK Bộ điều khiển
BDD Bộ biến đổi điện


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng
Tên gọi
Trang
3.1
Bảng tổng kết các tiêu chuẩn phẳng
47
3.2

Quy tắc xác định bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng
52
4.1
Các trạng thái khác nhau của gƣơng mặt trời
73
4.2
Các luật điều khiển hợp thnh
82


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình
Tên gọi
Trang
1.1
Phổ bức xạ mặt trời
6
1.2
Sự chuyển động xung quanh mặt trời v xung quanh trục riêng
của quả đất
7
1.3
Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nh kính
8

1.4
Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nƣớc nóng
11
1.5

Hệ sản xuất nƣớc nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lƣu tự
nhiên
12
1.6
Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên gồm nhiều bộ thu
nối song song
13
1.7
Hệ sản xuất nƣớc nóng bằng NLMT đối lƣu cƣỡng bức
14
1.8
Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lƣu tự nhiên
17
7

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


1.9
Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lƣu cƣỡng bức
18
1.10
Hệ sấy đối lƣu cƣỡng bức gián tiếp
18
1.11
Sơ đồ hệ thống chƣng cất nƣớc bằng NLMT
19
1.12
Một thiết kế thông dụng của hệ lọc nƣớc bằng NLMT
19

1.13
Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nh kính
20
1.14
Bếp NLMT hội tụ
22
1.15
Hệ thống sƣởi ấm nh cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT
23
1.16
Hệ thống sƣởi NLMT sử dụng nƣớc lm chất thu v tải nhiệt
24
1.17
Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si
25
1.18
Sơ đồ cấu tạo PMT Si
26
1.19
Một mô đun PMT hon thiện (nhìn từ mặt trên
26
1.20
Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lƣới
28
1.21
Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập
29
2.1
Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dùng máng phản xạ cong
33

2.2
Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời sử dụng các máng parabol
cong
34
2.3
Mô hình điều khiển tỷ lệ cố định
36
2.4
Mô hình điều khiển PSA
37
2.5
Mô hình điều khiển thông minh
40
3.1
Bộ điều khiển mờ cơ bản
54
3.2
Một bộ điều khiển mờ động
55
3.3
Hệ kín, phản hồi âm v bộ điều khiển mờ
59
3.4
Bộ điều khiển mờ PID
62
3.5
Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai
67
3.6
Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều

khiển PID
68
3.7
Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ
69
4.1
Mô hình cấu trúc của hệ thống gƣơng mặt trời
71
4.2
Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời
72
4.3
Đặc trƣng của động cơ một chiều
73
4.4
Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID
76
4.5
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID
77
4.6
Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động
77
4.7
Định nghĩa các biến vo ra của bộ điều khiển mờ
78
4.8
Định nghĩa các tập mờ cho biến CH của bộ điều khiển mờ
80
4.9

Định nghĩa các tập mờ cho biến dCH của bộ điều khiển mờ
80
4.10
Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ
81
4.11
Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ
82
4.12
Quan sát tín hiệu vo ra của bộ mờ
83
8

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


4.13
Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vo ra của bộ điều khiển mờ
83
3.14
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ động
84
4.15
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ v PID thiết kế
85
4.16
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ v PID khi tín hiệu vo
là hàm 1(t)
85
4.17

Kết quả mô phỏng của khi tín hiệu đặt vo l xung vuông
86
4.18
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ v PID khi có nhiễu phụ tải
87
4.19
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ v PID khi nhiễu phụ
tải
87
4.20
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ v PID khi nhiễu phụ
tải l 2 xung vuông
88
4.21
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ v PID khi L =1(heri)
89
4.22
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ v PID khi L =2(heri)
90
4.23
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ v PID khi L =3(heri)
90
4.24
Kết quả mô phỏng khi J = 0,05 (Kgm
2
/s
2
)
91
4.25

Kết quả mô phỏng khi J = 0,1 (Kgm
2
/s
2
)
92
4.26
Kết quả mô phỏng khi J = 0,2 (Kgm
2
/s
2
)
92
1

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


MỞ ĐẦU
Ngy nay, cùng với sự phát triển của các ngnh kỹ thuật, công nghệ
thông tin góp phần cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển v tự động hoá.
Trong công nghiệp, điều khiển quá trình sản xuất đang l mũi nhọn v then
chốt để giải quyết vấn đề nâng cao năng suất v chất lƣợng sản phẩm. Một
trong những vấn đề quan trọng trong điều khiển l việc tự động điều chỉnh độ
ổn định v sai số l ít nhất trong khoảng thời gian điều khiển l ngắn nhất,
trong đó phải kể đến các hệ thống điều khiển mờ đang đƣợc sử dụng rất rộng
ri hiện nay.
Trong quá trình điều khiển trên thực tế, ngƣời ta luôn mong muốn có một
thuật toán điều khiển đơn giản, dễ thể hiện về mặt công nghệ v có độ chính
xác cng cao cng tốt. Đây l những yêu cầu khó thực hiện khi thông tin có

đƣợc về tính điều khiển đƣợc v về mô hình động học của đối tƣợng điều
khiển chỉ đƣợc biết mơ hồ dƣới 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 v
điều khiển cho hệ thống lm việc trong môi trƣờng phức tạp, hiện nay một số
kỹ thuật mới đƣợc phát hiện v phát triển mạnh mẽ đ đem lại nhiều thnh
tựu bất ngờ trong lĩnh vực xử lý thông tin v điều khiển. Trong những năm
gần đây, nhiều công nghệ thông minh đƣợc sử dụng v phát triển mạnh trong
điều khiển công nghiệp nhƣ công nghệ nơron, công nghệ mờ, công nghệ tri
thức, giải thuật di truyền, … Những công nghệ ny phải giải quyết với một
mức độ no đó những vấn đề còn để ngỏ trong điều khiển thông minh hiện
nay, đó l hƣớng xử lý tối ƣu tri thức chuyên gia.
Tri thức chuyên gia l kết quả rút ra từ quá trình tổ chức thông tin phức
tạp, đa cấp, đa cấu trúc, đa chiều nhằm đánh giá v nhận thức đƣợc (cng
chính xác cng tốt) thế giới khách quan. Tri thức chuyên gia đƣợc thể hiện
dƣới dạng các luật mang tính kinh nghiệm, các luật ny l rất quan trọng vì
2

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


chúng tạo thnh các điểm chốt cho mô hình suy luận xấp xỉ để tìm ra đại
lƣợng điều khiển cho phép thoả mn (có khả năng tối ƣu) mục tiêu điều khiển
với độ chính xác no đó. Chiến lƣợc suy luận xấp xỉ cng tốt bao nhiêu, đại
lƣợng điều khiển tìm đƣợc cng thoả mn tốt bấy nhiêu mục tiêu điều khiển
đề ra. Các thuật toán điều khiển hiện nay ngy cng có mức độ thông minh
cao, tích hợp trong đó các suy luận, tính toán mềm dẻo hơn để có thể hoạt
động đƣợc trong mọi điều kiện đa dạng, phức tạp hoặc với độ bất định cao,
tính phi tuyến lớn của đối tƣợng điều khiển.
Logic mờ đ đem lại cho công nghệ điều khiển truyền thống một cách
nhìn mới, nó cho phép điều khiển đƣợc khá hiệu quả các đối tƣợng không rõ

rng về mô hình trên cơ sở tri thức chuyên gia đầy cảm tính. Điều khiển mờ l
một thnh công của sự kết hợp giữa logic mờ v lý thuyết điều khiển trong
quá trình đi tìm các thuật toán điều khiển thông minh. Chìa khóa của sự thnh
công ny l sự giải quyết tƣơng đối thỏa đáng bi toán suy luận xấp xỉ (suy
luận mờ). Tuy vậy không phải không còn những vƣớng mắc. Một trong
những khó khăn của các lý thuyết suy luận xấp xỉ l độ chính xác chƣa cao v
sẽ còn l bi toán mở trong tƣơng lai.
Công nghệ tính toán mềm l sự hội tụ của công nghệ mờ v công nghệ
nơron v lập trình tiến hoá nhằm tạo ra các mặt cắt xuyên qua tổ chức thông
tin phức tạp nói trên, tăng cƣờng khả năng xử lý chính xác những tri thức trực
giác của các chuyên gia.
Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển l hon ton dựa vo độ
chính xác tuyệt đối của thông tin m trong nhiều ứng dụng không cần thiết
hoặc không thể có đƣợc, trong khi đó điều khiển mờ có thể xử lý những thông
tin “không chính xác” hay “không đầy đủ ”. Những thông tin m sự chính
xác của nó chỉ nhận thấy đƣợc giữa các quan hệ của chúng đối với nhau v
cũng chỉ mô tả đƣợc bằng ngôn ngữ, đ cho ra quyết định hợp lý. Chính khả
3

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


năng ny đ lm cho điều khiển mờ sao chụp đƣợc phƣơng thức xử lý thông
tin v điều khiển cụ thể đ giải quyết thnh công một số bi toán điều khiển
phức tạp m trƣớc đây không giải quyết đƣợc.
Mặc dù logic mờ v lý thuyết mờ đ chiếm một vị trí vô cùng quan trọng
trong kỹ thuật điều khiển. Tuy nhiên, nhiều bi toán điều khiển đòi h ỏi tính
trật tự theo ngữ nghĩa của hệ luật điều khiển.
Trong logic mờ v lý thuyết mờ, nhiều khái niệm quan trọng nhƣ tập mờ,
T- chuẩn, S-chuẩn, phép giao mờ, phép hợp mờ, phép phủ định mờ, phép kéo

theo mờ, phép hợp thnh, … đƣợc sử dụng trong bi toán suy luận xấp xỉ.
Đây l một điểm mạnh có lợi cho quá trình suy luận mềm dẻo.
Hiện nay, Năng lƣợng mặt trời đƣợc xem nhƣ l nguồn sạch v tái tạo
năng lƣợng cho tƣơng lai, nó cũng l nguồn năng lƣợng ít nhất gây ô nhiễm
nhất trong tất cả các nguồn năng lƣợng đƣợc biết đến.
Hầu hết năng lƣợng mặt trời hiện nay đƣợc sử dụng lm năng lƣợng
nhiệt hoặc điện. Bên cạnh đó nhờ các bộ gom nhiệt mặt trời v các bộ hiệu
ứng quang điện của chất bán dẫn đ tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời.
Năng lƣợng mặt trời thu đƣợc giá trị tối ƣu khi các chùm tia chiếu tới bề
mặt thu một cách tốt nhất. Điều ny dẫn tới việc nghiên cứu sự bức xạ mặt
trời trên bề mặt trái đất v đặc biệt nghiên cứu sự thay đổi của các hệ thống
gom năng lƣợng bám theo mặt trời một cách liên tục.
Trong luận văn ny “Nghiên cứu hệ thống điều khiển gƣơng mặt trời
bằng bộ điều khiển mờ”, mục đích chính l tìm mặt trời v bám theo mặt trời
để thu năng lƣợng nhiều nhất đống thời có tính linh hoạt cao.
Phần nội dung của bản luận văn gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Năng lƣợng mặt trời v một số ứng dụng thực tế
Chƣơng 2: Tổng quan về các hệ thống gƣơng mặt trời
Chƣơng 3: Giới thiệu tóm tắt về bộ điều khiển PID v điều khiển mờ.
4

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


Chƣơng 4: Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống gƣơng mặt trời.
Do trình độ v thời gian hạn chế, em rất mong nhận đƣợc những ý kiến
góp ý của các thầy giáo, cô giáo v các ý kiến đóng góp của đồng nghiệp.

5

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


CHƢƠNG I
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời l nguồn năng lƣợng m con ngƣời biết sử dụng từ
rất sớm, nhƣng ứng dụng NLMT vo các công nghệ sản xuất v trên quy mô
rộng thì mới chỉ thực sự vo cuối thế kỷ 18 v cũng chủ yếu ở những nƣớc
nhiều năng lƣợng mặt trời, những vùng sa mạc.
Có thể xem mặt trời l một quả cầu cách quả đất 150 triệu km. Đƣờng
kính mặt trời khoảng 1,4 triệu km, lớn hơn 109 lần đƣờng 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 ngoi của nó.
Thnh phần hóa học của mặt trời: khoảng 70-71% khí Hydro (H
2
), 27-
29% Heli (He), các nguyên tố kim loại v các nguyên tố khác chỉ chiếm 1-
3%.
Các điều kiện về áp suất, nhiệt độ v thnh phần khí quyển trên mặt trời
l điều kiện lý tƣởng cho phản ứng nhiệt hạt nhân v tạo ra nguồn năng lƣợng
khổng lồ. Công suất bức xạ của mặt trời l 3,86.10
26
W, tƣơng đƣơng năng

lƣợng đốt cháy hết 1,32.10
16
tấn than đá.
Tuy nhiên bề mặt quả đất chỉ nhận đƣợc 17,57.10
16
W, tƣơng đƣơng
năng lƣợng đốt cháy hết 6 triệu tấn than đá.
Năng lƣợng mặt trời (NLMT) rất lớn, nhƣng phân bố lại mỏng, chỉ
khoảng 800-1000W/m2 nên việc khai thác khá khó khăn.
Bản chất bức xạ mặt trời (BXMT) l sóng điện từ có phổ bƣớc sóng rất
rộng, từ hng km đến phần tỷ m. Ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng từ 0.4
đến 0,7m, chỉ chiếm một phần rất nhỏ phổ BXMT (hình 1.1).

6

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








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 nƣớc, các hạt bụi,… lm tán xạ, hấp thụ, nên phổ v cƣờng
độ BXMT trên mặt đất bị giảm đi rất đáng kể.
1.2. Đặc điểm của năng lƣợng 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
ngy (một năm). Đồng thời quả đất lại tự quay xuang quanh trục Bắc-Nam
của nó. Thời gian quay một vòng l 24 giờ (một ngy 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 l cƣờng độ BXMT biến đổi liên tục theo
thời gian (theo giờ, ngy, tháng, mùa trong năm) v cũng còn biến đổi theo vị
tuyến trên mặt đất.





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 tử
ngoại
Tia
nhìn
thấy
Tia
hồng
ngoại
Sóng
ngắn
Sóng vô tuyến
điện

()
m)
Tia

7

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













Hình 1.2: Sự chuyển động xung quanh mặt trời và
xung quanh trục riêng của quả đất

1.3. Các thnh phần của bức xạ mặt trời
BXMT tới mặt đất gồm 2 thnh phần đƣợc gọi l trực xạ v nhiễu xạ.
Trực xạ l thnh phần tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới điểm quan sát
trên mặt đất không bị thay đổi phƣơng truyền. Nó phụ thuộc vo vị trí mặt
trời v vo thời tiết.
Nhiễu xạ l các thnh phần gồm các tia sáng đến điểm quan sát từ mọi

hƣớng do các tia mặt trời khi qua lớp khí quyển của quả đất bị tán xạ, nhiễu
xạ trên các phân tử khí, hơi nƣớc, các hạt bụi,… Thnh phần nhiễu xạ cũng
phụ thuộc vo vị trí mặt trời v thời tiết.
Tổng của các thnh phần trực xạ v nhiễu xạ gọi l Tổng xạ.
Các đại lƣợng trực xạ, nhiễu xạ hay tổng xạ đƣợc đo trong cả ngy v
theo đơn vị MJ/ m
2
.ngày hay kW/ m
2
.ngày.
21-9
Thu phân

21-12
Đông chí

21-6
Hạ 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
Đƣờng xích đạo

Đƣờng xích đạo
8

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


Thông thƣờng ở các Trạm khí tƣợng thuỷ văn ngƣời ta đo trực xạ, nhiễu
xạ v tổng xạ trên mặt nằm ngang. Trong khi đó các bộ thu NLMT lại có bề
mặt đặt nghiêng một góc  no đó, nên cần phải có các hiệu chính chuyển đổi
từ cƣờng độ BXMT đo đƣợc trên mặt nằm ngang sang mặt nghiêng. Tuy
nhiên số hiệu chính ny không lớn, nên dƣới đây chúng ta sẽ bỏ qua.
1.4. Hiệu ứng nh kính v bộ thu phẳng
1.4.1. Hiệu ứng nh kính
Bộ thu phẳng đƣợc chế tạo dựa trên nguyên lý “hiệu ứng nh kính”.
Nguyên lý hoạt động nhƣ sau: Các loại kính xây dựng cho các tia BXMT có
bƣớc sóng  < 0,7m truyền qua một cách dễ dng, trong khi đó các bức xạ
có  < 0,7m (các tia ny còn đƣợc gọi l tia nhiệt) thì bị kính phản xạ trở lại.
Trƣớc hết ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt trời nhƣ hình 1.3. Mặt trên
hộp đƣợc đậy bằng tấm kính (1). Thnh xung quanh v đáy hộp có lớp vật
liệu cách nhiệt dy (2). Đáy trong của hộp đƣợc lm bằng tấm kim loại dẫn
nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt v đƣợc gọi
l tấm hấp thụ (3).
4
1
2
3
TÊm kÝnh

Líp vá c¸ch nhiÖt
TÊm hÊp thô
Tia s¸ng mÆt trêi
1
2
3
4


Hình 1.3: Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính

Nhƣ đ nói ở trên, các tia BXMT có bƣớc sóng  < 0,7m tới mặt hộp
thu, đi qua tấm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm ny
9

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


hấp thụ năng lƣợng BXMT v chuyển hoá thnh nhiệt lm cho tấm hấp thụ
nóng lên, khi đó nó trở thnh nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ
nhiệt có bƣớc sóng 0,7m, hƣớng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị
tấm kính ngăn lại, không ra ngoi đƣợc. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận
BXMT nên tấm hấp thụ đƣợc nung nóng dần lên v có thể đạt đến nhiệt độ
hng trăm độ. Nhƣ vậy năng lƣợng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống
nhƣ một cái bẫy nhiệt - năng lƣợng vo đƣợc nhƣng không thể ra đựơc. Đó l
nguyên lý “hiệu ứng nh kính”. Nhiệt độ của tấm hấp thụ cng cao, phát xạ
nhiệt từ mặt hấp thụ cng lớn, cho đến khi năng lƣợng m tấm hấp thụ nhận
đƣợc từ BXMT cân bằng với năng lƣợng mất mát cho môi trƣờng xung quanh
thì trạng thái cân bằng nhiệt đƣợc thiết lập.
Bộ thu phẳng có cấu tạo dựa trên nguyên lý hiệu ứng nh kính nhƣ đ mô

tả trên, nhƣng tuỳ thuộc vo 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 lƣợng mặt trời phẳng
Bộ thu NLMT có thể đƣợc ứng dụng trong nhiều mục đích khác nhau
nhƣ để sản xuất nƣớc nóng, sấy sản phẩm, chƣng cất nƣớc, v.v…Nó có thể có
nhiều hình dạng khác nhau đƣợc thiết kế cho phù hợp với mục đích sử dụng.
Dƣới đây chúng ta chỉ nghiên cứu dạng phẳng, tức l dạng m tấm hấp thụ l
tấm phẳng. Hình 1.3 trên cũng chính l l sơ đồ cấu tạo của một bộ thu
NLMT hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng nh kính.
Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng đƣợc đậy bằng một
hay vi lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính ny bằng các
tấm trong suốt khác nhƣ thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v Đối với vật liệu
ngoài thủy tinh tuy có độ bền cơ học cao hơn, nhƣng độ gi hoá lại nhanh, do
đó hệ số truyền qua sau khoảng 5 –10 năm có thể giảm 5  10%.
10

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


Tấm hấp thụ l một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ một lớp
sơn hấp thụ ánh sáng mu đen. Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ cng cao
cng tốt, ví dụ > 85%, thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao. Ngoi ra,
tấm hấp thụ bằng vật liệu kim loại còn để việc hn các thnh phần khác (ví dụ
ống nƣớc bằng kim loại nếu bộ thu dùng để đun nƣớc nóng) đƣợc dễ dng
hơn.
Thnh hộp xung quanh v đáy hộp l một lớp vật liệu cách nhiệt khá dy
để giảm hao phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh. Vật liệu cách nhiệt
thƣờng dùng l “xốp bọt biển” (polystyrene) mu trắng rất nhẹ đƣợc sản xuất
dƣới dạng tấm hoặc hạt, cũng có thể dùng vật liệu khác nhƣ bông thuỷ tinh,
mút, gỗ khô, mùn cƣa,

Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngy nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có
thể đạt đến 100 115
0
C hoặc cao hơn.
Tuỳ mục đích sử dụng m ngƣời ta thiết kế bộ thu có thêm các thnh
phần phụ khác v tấm hấp thụ có hình dạng khác nhau nhƣ chúng ta sẽ trình
by trong các phần sau.
Hiệu suất của các bộ thu thông thƣờng trong khoảng 35 45%.
1.5. Một số ứng dụng năng lƣợng mặt trời
Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lƣợng thế giới năm 1968 v 1973,
NLMT cng đƣợc đặc biệt quan tâm. Các nƣớc công nghiệp phát triển đ đi
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 nƣớc nóng bằng NLMT
Nƣớc nóng rất cần thiết cho sinh hoạt trong gia đình, cơ quan v cũng rất
cần thiết cho các quá trình sản xuất trong nh máy, các dịch vụ trong các
khách sạn, nh hng, bệnh viện, v.v
11

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


Về cơ bản một thiết bị sản xuất nƣớc nóng l một bộ thu NLMT nói trên.
Trong thiết bị đun nƣớc, ngƣời ta hàn vào tấm hấp thụ một hệ thống ống kim
loại (nhƣ các ống bằng đồng hay ống nƣớc mạ kẽm, xem hình 1.4) v sau đó
cho nƣớc chảy qua hệ ống đó. Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ đƣợc truyền qua thnh
ống vo nƣớc v lm nƣớc nóng dần lên. Hình 1.4 l sơ đồ một bộ thu để sản
xuất nƣớc nóng.

Hình 1.4: Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nƣớc nóng

Ban ngy khi có nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có thể đạt hơn 100
o
C. Để
nƣớc nóng có nhiệt độ cao (thông thƣờng khoảng 8085
o
C về mùa hè,
3545
0
C về mùa đông) ngƣời ta cho nƣớc chảy qua bộ thu nhiều lần theo các
chu trình đối lƣu tự nhiên hay đối lƣu cƣỡng bức.
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên
Hình 1.5 l sơ đồ một hệ thống sản xuất nƣớc nóng dùng nguyên lý đối
lƣu tự nhiên. Nƣớc lạnh khi qua bộ thu nhiệt mặt trời sẽ nóng lên, khối lƣợng
riêng giảm nên chảy lên phía trên. Phía dƣới áp các ống áp suất nƣớc bị giảm
nên nƣớc lạnh lại chảy vo. Cứ nhƣ thế nƣớc sẽ tự động chuyển động tuần
4
1
2
3
5

N-íc nãng ra
N-íc l¹nh vµo
TÊm kÝnh
Líp vá c¸ch nhiÖt
TÊm hÊp thô
1
2
3
Tia s¸ng mÆt trêi
èng dÉn n-íc kim lo¹i
4
5
(a)
(b)
12

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


hon theo chiều mũi tên chỉ ra trên hình 1.5. Kết quả l dòng nƣớc sẽ tự chảy
qua bộ thu nhiều lần v do đó nƣớc trong bình chứa (có lớp cách nhiệt tốt
xung quanh) sẽ đạt đƣợc nhiệt độ cao.
Khi lấy nƣớc nóng trong bình chứa để sử dụng, nƣớc trong bình vơi đi v
nƣớc lạnh tự động chảy bổ sung thêm vo.
Muốn có lƣợng nƣớc nóng nhiều hơn ngƣời ta có thể sử dụng nhiều bộ
thu ghép song song nhƣ hình 1.6. Thông thƣờng mỗi bộ thu có kích thƣớc 1 x
2 x 0,2 m để việc chế tạo, vận chuyển v lắp đặt dễ dng thuận lợi.
Ƣu điểm của hệ thống đun nƣớc dùng đối lƣu tự nhiên l việc chế tạo lắp
đặt bộ thu đơn giản, rẻ tiền. Tuy nhiên hệ thống ny có nhƣợc điểm l năng
suất sản xuất nƣớc nóng thấp. Vì vậy cấu hình sản xuất nƣớc nóng dùng đối

lƣu tự nhiên phù hợp cho việc sản xuất nƣớc nóng dùng cho sinh hoạt trong
các hộ gia đình hay các hộ sử dụng nƣớc nóng không nhiều lắm (khách sạn
nhỏ, bệnh xá, trang trại,v.v ).
Hiệu suất bộ thu NLMT theo nguyên lý đối lƣu tự nhiên chỉ đạt 3540%.

Tia sáng mặt trời
Bộ thu
1
2
3
4
1
2
3
3
4
Nƣớc nóng
sử dụng
Nƣớc lạnh
bổ sung
van
Vòng tuần hon đối lƣu tự nhiên của nƣớc
Đƣờng dẫn nƣớc
Thùng chứa


Hình 1.5: Hệ sản xuất nƣớc nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lƣu tự nhiên
13

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

3
1
1
1
2
4
5
Nƣớc nóng
Nƣớc lạnh
Bộ thu
Bình chứa đƣợc bảo ôn
ống điều ho áp suất
1
2
3
ống lấy nƣớc nóng có van
ống bổ sung nƣớc lạnh có van
4
5


Hình 1.6: Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên gồm nhiều bộ thu
nối song song

1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu cƣỡng bức
Khi cần một lƣợng nƣớc nóng lớn thì thì hệ thống nƣớc nóng đối lƣu tự
nhiên không thích hợp. Khi đó ngƣời ta sử dụng hệ thống dùng đối lƣu cƣỡng
bức. Hình 1.7 l sơ đồ hệ thống sản xuất nƣớc nóng bằng NLMT theo nguyên

lý đối lƣu cƣỡng bức.
14

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn


1
Tia sáng mặt trời
Nc núng
Nc lnh
2
3
4
5
T
1
T
2
6
Bộ thu
Bình chứa
Máy bơm
1
2
3
Thiết bị điều khiển bơm
ống điều hòa áp suất
B un nc d phũng
4
5

6


Hỡnh 1.7: H sn xut nc núng bng NLMT i lu cng bc

H thng i lu cng bc ch khỏc h i lu t nhiờn l cú thờm mt
mỏy bm (3). Nc b bm cng bc chy qua b thu m khụng phi tun
hon t nhiờn nh h thng i lu t nhiờn. Vỡ vy hiu sut v nng sut
ca loi thit b ny cao hn. Hiu sut thu nhit ca h thng ph thuc vo
tc nc chy qua b thu. iu khin quỏ trỡnh cng bc ny thụng
thng ngi ta lp thờm mt thit b in t (4), nú t ng theo dừi hiu s
nhit T = T
1
T
2
. Cn c trờn hiu s nhit T m thit b iu khin
in t s cho bm lm vic hay ngng bm.
Trong trng hp phi s dng nc núng cho sn xut hay cỏc dch v
yờu cu nc núng liờn tc ngi ta cũn lp thờm b phn un nc bng
in hay khớ t (gas) d phũng (6) cho nhng thi gian khụng cú nng nh
ch ra trờn hỡnh 1.7.