Lập chương trình mô phỏng tính toán số liệu gió theo giờ và theo ngày từ số liệu trung bình tháng

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------Ơ----------------

TRẦN HỒNG HÀ

LẬP CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG
TÍNH TỐN SỐ LIỆU GIÓ THEO GIỜ VÀ THEO NGÀY
TỪ SỐ LIỆU TRUNG BÌNH THÁNG
CHUN NGÀNH
MÃ SỐ

: CƠNG NGHỆ NHIỆT
: 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10 NĂM 2006


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, ngày ..…..tháng……....năm 2006


Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦN HỒNG HÀ
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 01 - 11 - 1966
Nơi sinh: Nam Định
Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt
Mã số: 60.52.80
I. TÊN ĐỀ TÀI:
LẬP CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG TÍNH TỐN SỐ LIỆU GIĨ
THEO GIỜ VÀ THEO NGÀY TỪ SỐ LIỆU TRUNG BÌNH THÁNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tính cần thiết của việc lập chương trình mơ phỏng số liệu tốc độ gió theo giờ và
theo ngày.
2. Đặc tính tốc độ gió ở nước ta.
3. Cơ sở phương pháp luận xây dựng mơ hình chung để mơ phỏng số liệu tốc độ gió
theo giờ từ số liệu trung bình tháng.
4. Xây dựng mơ hình.
5. Kiểm chứng độ tin cậy của mơ hình.
6. Nhận xét và kết luận.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

09 - 02 - 2006
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
06 - 10 - 2006
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. NGUYỄN THẾ BẢO
VI. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:
VII. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

PGS. TS. LÊ CHÍ HIỆP

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua.
Ngày
tháng
năm 2006
PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới Thầy Nguyễn Thế Bảo, người
trực tiếp hướng dẫn thực hiện luận văn về những kiến thức mà Thầy đã cung cấp cũng

như những định hướng, nhận xét, góp ý vơ cùng q báu của Thầy trong suốt thời gian
thực hiện đề tài.
Tác giả cũng xin bày tỏ lịng biết ơn tới các Thầy trong bộ mơn Công Nghệ Nhiệt
trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh về kiến thức cũng như lịng nhiệt
tình với khoa học mà các Thầy đã truyền đạt trong suốt thời gian học vừa qua.
Tác giả xin gửi lời cám ơn tới Giám đốc Trung tâm kiểm định kỹ thuật an toàn
khu vực 2 đối với sự giúp đỡ của Trung tâm về thời gian, kinh phí trong suốt thời gian
học và thời gian thực hiện đề tài.
Cuối cùng, xin cám ơn các bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt là vợ và các con tôi.
Thiếu sự động viên, giúp đỡ của họ, luận văn này đã khơng thể hồn thành.
Người thực hiện
TRẦN HỒNG HÀ


TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Tốc độ gió theo giờ và theo ngày là số liệu hết sức cần thiết trong nhiều lĩnh vực khoa
học, kỹ thuật đặc biệt là trong kỹ thuật nhiệt và kỹ thuật năng lượng gió. Ở nước ta,
những số liệu này còn thiếu cả về số lượng và chất lượng. Tình hình đặt ra nhu cầu xây
dựng một mơ hình tốn cho phép lập chương trình mơ phỏng trên máy tính để tạo ra
chuỗi số liệu tốc độ gió theo giờ và theo ngày trong điều kiện khơng có các số liệu
thống kê đầy đủ. Đây chính là nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài này.
Nhiệm vụ nghiên cứu này được giải quyết bằng cách áp dụng giả thuyết mà TS
Nguyễn Thế Bảo đề ra từ năm 1996 khi xây dựng mơ hình mơ phỏng tốc độ gió tại
Australia: Tại những vùng có địa hình và đặc tính khí hậu tương đối thuần nhất,
đặc tính thống kê của số liệu tốc độ gió theo giờ có tính quy luật khá ổn định.
Trên cơ sở phân tích các số liệu tốc độ gió đo đạc được tại Thành phố Hồ Chí Minh và
khu vực lân cận, bằng việc phát triển và cải tiến các mơ hình đã có trong dự báo tốc độ
gió, kết quả thực hiện đề tài đã xây dựng được một mơ hình tính tốn thích hợp cho
phép mơ phỏng để tạo ra chuỗi số liệu tốc độ gió theo giờ và theo ngày từ tốc độ gió
trung bình tháng – những số liệu có thể đo đạc một cách dễ dàng hơn hoặc có thể xác

định từ các bản đồ gió hiện có.
Kết quả so sánh số liệu mơ phỏng và số liệu quan sát cho thấy mơ hình hồn tồn đảm
bảo độ tin cậy cần thiết. Sự hạn chế về cơ sở dữ liệu làm cho mơ hình chỉ có thể áp
dụng được cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh Nam bộ. Mặc dù vậy, đề
tài đã trình bày được một phương pháp mơ hình hóa thống kê tuyến tính có ý nghĩa
khoa học, xây dựng được các chương trình tính tốn có tính tổng qt làm cơ sở xây
dựng các mơ hình chung áp dụng cho các vùng khí hậu và địa hình khác nhau ở nước
ta khi điều kiện số liệu cho phép.


Mơ hình đề xuất trong luận văn có thể sử dụng như một module trong việc xây dựng
các phần mềm mơ phỏng lớn hơn phục vụ các bài tốn mơ phỏng thời tiết, mô phỏng
hệ thống năng lượng, mô phỏng các thiết bị nhiệt.
Giao diện mô phỏng được viết bằng ngơn ngữ Matlab cũng có thể chạy như một ứng
dụng độc lập cho phép tạo ra các chuỗi số liệu tốc độ gió theo giờ và theo ngày để sử
dụng trực tiếp trong việc giải các bài toán kỹ thuật cần đến số liệu tốc độ gió.
Kết quả đạt được ban đầu cũng là căn cứ để tiếp tục xây dựng các mơ hình đa biến
hồn thiện hơn cho phép mơ phỏng tổng hợp các thơng số khí hậu khác như hướng gió,
nhiệt độ, độ ẩm v.v, phục vụ giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp hơn.


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ................................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................................... v
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN .................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................................... 1
1.2. Đặc tính tốc độ gió nước ta và giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài......................... 2
1.2.1.

Các loại gió cơ bản: ............................................................................................ 2
1.2.2.
Đặc tính của gió: ................................................................................................. 4
1.2.3.
Đặc điểm tốc độ gió ở nước ta:........................................................................... 4
1.2.4.
Giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài ........................................................... 11
1.3. Các thuật ngữ và khái niệm cơ bản............................................................................... 13
1.3.1.
Một số khái niệm: ............................................................................................. 13
1.3.2.
Phương pháp mô phỏng Monte Carlo:.............................................................. 15
1.3.3.
Phương pháp chuỗi Markov: ............................................................................ 15
1.3.4.
Phương pháp mơ hình hóa thống kê tuyến tính: ............................................... 16
1.3.5.
Ngun lý mơ hình hóa Box-Jenkins................................................................ 18
1.4. Khảo sát tài liệu có liên quan........................................................................................ 19
1.4.1.
Mô phỏng Monte Carlo: ................................................................................... 19
1.4.2.
Phương pháp mô hình hóa Box-Jenkin:............................................................ 20
1.4.3.
Phương pháp sử dụng mơ phỏng chuỗi Markov:.............................................. 22
1.4.4.
Xây dựng mơ hình chung để mơ phỏng tốc độ gió từng giờ cho những địa điểm
khơng có số liệu chi tiết quan sát :.................................................................... 23
1.4.5.
Nhận xét về khả năng áp dụng các phương pháp hiện có................................. 24

CHƯƠNG 2 – PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MƠ HÌNH ..................................................... 27
2.1. Ngun lý xây dựng mơ hình ....................................................................................... 27
2.2. Dữ liệu phục vụ xây dựng mơ hình .............................................................................. 27
2.3. Dạng mơ hình, phương pháp và kết quả mơ hình hóa các chuỗi số liệu quan sát ........ 29
2.3.1. Dạng mơ hình.......................................................................................................... 29
2.3.2. Phương pháp phân tích các số liệu quan sát: .......................................................... 33
2.3.2.1. Phương pháp xác định số mũ chuẩn hóa m:: ................................................... 33
2.3.2.2. Phương pháp xác định vec tơ đặc trưng cho thành phần biến đổi theo chu kỳ
ngày của tốc độ gió μth: ................................................................................................ 35
2.3.3.3. Phương pháp xác định các tham số mơ hình hóa Box-Jenkins: ...................... 35
2.3.3. Kết quả mơ hình hóa các số liệu quan sát:.............................................................. 36
2.4. Kết quả xây dựng mơ hình chung ................................................................................. 40
2.4.1.
Xây dựng hàm số biểu diễn quan hệ giữa số mũ chuẩn hóa và tốc độ gió trung
bình tháng: ........................................................................................................ 40
2.4.2.
Xây dựng hàm số biểu diễn quan hệ giữa vec tơ độ lệch chuẩn trung bình từng
giờ và vec tơ tốc độ gió trung bình từng giờ .................................................. 41

-i-


2.4.3.

Xác định vec tơ đặc trưng cho thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày của tốc độ
gió . ................................................................................................................... 43
2.4.4.
Xác định mơ hình ARMA chung...................................................................... 48
2.4.4.1. Xác định dạng của mơ hình ARMA chung...................................................... 48
2.4.4.2. Xác định các tham số của mơ hình chung: ...................................................... 48

2.4.5.
Tổng hợp các tham số của mơ hình và sơ đồ thuật tốn mơ phỏng:................. 49
2.4.5.1. Tổng hợp các tham số của mơ hình: ................................................................ 49
2.4.5.2. Thuật tốn tạo ra chuỗi Ut* có trung bình bằng 0 từ mơ hình AR(2): ............ 50
2.4.5.3. Thuật tốn tạo ra chuỗi số liệu tốc độ gió theo giờ Ut từ tốc độ trung bình
tháng μ: ......................................................................................................................... 51
2.4.5.5. Thuật tốn tạo ra chuỗi số liệu tốc độ gió trung bình ngày từ chuỗi số liệu từng
giờ: ................................................................................................................................ 52
2.5. Các chương trình phục vụ mơ hình hóa và mơ phỏng .................................................. 52
2.5.1. Chương trình mơ phỏng:......................................................................................... 52
2.5.2. Chương trình mơ hình hóa:..................................................................................... 53
2.5.2. Các chương trình kiểm tra: ..................................................................................... 55
CHƯƠNG 3 – ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA MÔ HÌNH................................................... 56
3.1. Các chuỗi số liệu so sánh:............................................................................................. 56
3.2. Phương pháp đánh giá: ................................................................................................. 56
3.3. Kết quả so sánh ............................................................................................................. 58
3.4. Một số nhận định về khả năng ứng dụng và các hạn chế của mơ hình:......................... 65
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ........................................................................................................ 67
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ................................................................ 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 70
PHỤ LỤC - CÁC CHƯƠNG TRÌNH MATLAB ................................................................... 73
1. Tóm tắt nội dung các chương trình:................................................................................. 73
2. Nội dung các chương trình mơ phỏng: ............................................................................ 74
2.1. Chương trình cwindsim.m: ........................................................................................ 74
2.2. Chương trình armasim.m: .......................................................................................... 76
2.3. Chương trình destddata.m:......................................................................................... 77
2.4. Chương trình DWS.m:............................................................................................... 77
3. Nội dung các chương trình mơ hình hóa: ......................................................................... 78
3.1. Chương trình windfit.m: ............................................................................................ 78
3.2. Chương trình datasurvey.m: ...................................................................................... 83

3.3. Chương trình windmodel.m:...................................................................................... 86
3.4. Chương trình boxcoxtrans.m: .................................................................................... 89
3.5. Chương trình stddatd.m: ............................................................................................ 90
3.6. Chương trình myfitm.m: ............................................................................................ 91
3.7. Chương trình myfitstd.m: .......................................................................................... 92
3.8. Chương trình cwindmodel.m: .................................................................................... 92
4. Nội dung các chương trình kiểm tra: .............................................................................. 100
4.1. Chương trình testcwindsim.m.................................................................................. 100
4.2. Chương trình wpdensity.m ...................................................................................... 102

- ii -


4.3. Chương trình windpower.m..................................................................................... 103
4.4. Chương trình SosanhCDF.m ................................................................................... 104
4.5. Chương trình mypdfplot.m ...................................................................................... 105

- iii -


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2. 1 : Đặc trưng thống kê của tốc độ gió tại trạm quan trắc Nhà bè năm 2004 ............... 28
Bảng 2. 2: Đặc trưng thống kê của tốc độ gió tại Cần giờ - 9 tháng đầu năm 1993................. 28
Bảng 2. 3: So sánh giá trị trung bình và độ lệch chuẩn tính theo cơng thức và số liệu xác định
thực tế ....................................................................................................................................... 32
Bảng 2. 4: Tốc độ trung bình tháng, độ lệch chuẩn và số mũ chuẩn hóa của các chuỗi số liệu
.................................................................................................................................................. 36
Bảng 2. 5: Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày của
số liệu tốc độ gió tại Nhà bè năm 2004..................................................................................... 36

Bảng 2. 6: Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày của
số liệu tốc độ gió tại Cần giờ năm 1993 ................................................................................... 38
Bảng 2. 7: Thơng số mơ hình hố ARMA phù hợp nhất xác định theo số liệu tốc độ gió tại
Nhà bè năm 2004 ...................................................................................................................... 39
Bảng 2. 8: Thông số mơ hình hố ARMA phù hợp nhất xác định theo số liệu tốc độ gió tại
Cần giờ năm 1993..................................................................................................................... 40
Bảng 2. 9: Giá trị số mũ chuẩn hóa m tương ứng với các tốc độ trung bình tháng μ (m/s) ..... 40
Bảng 2. 10: Giá trị và khoảng tin tưởng của các hệ số đa thức biểu diễn quan hệ phụ thuộc của
độ lệch chuẩn vào tốc độ trung bình hàng tháng ...................................................................... 42
Bảng 2. 11: Giá trị và khoảng tin tưởng của các hệ số đa thức biểu diễn quan hệ phụ thuộc của
độ lệch chuẩn trung bình giờ vào tốc độ trung bình giờ ........................................................... 42
Bảng 2. 12: Thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày của tốc độ gió tại Nhà bè năm 2004........ 44
Bảng 2. 13: Thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày của tốc độ gió tại Cần giờ năm 1993 ..... 45
Bảng 2. 14: Giá trị của vec tơ đặc trưng cho thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày (chưa làm
trơn) (m/s) ................................................................................................................................. 45
Bảng 2. 15: Vec tơ đặc trưng cho thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày (đã làm trơn) (m/s)46
Bảng 2. 16: Tham số mơ hình AR(2) của từng chuỗi số liệu và của mơ hình chung ............... 48

Bảng 3. 1: Tốc độ trung bình tháng (m/s) tại các địa điểm so sánh.......................................... 57
Bảng 3. 2: So sánh đặc tính thống kê của các chuỗi số liệu quan sát và số liệu mô phỏng...... 60
Bảng 3. 3: So sánh tốc độ gió trung bình bậc 3 (m/s) giữa số liệu quan sát và số liệu mô phỏng
.................................................................................................................................................. 60
Bảng 3. 4: So sánh kết quả tính tốn mật độ năng lượng gió (W/m2) giữa số liệu quan sát và
số liệu mô phỏng....................................................................................................................... 60
Bảng 3. 5: So sánh tổng sản lượng của turbine gió trong 1 năm (MWh) giữa số liệu quan sát
và số liệu mô phỏng .................................................................................................................. 60

- iv -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1. 1: Phân vùng gió tại Việt Nam, Lào, Cam pu chia và Thái Lan.................................... 6
Hình 1. 2 : Tốc độ gió trung bình ở độ cao 65 m, từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau.................. 7
Hình 1. 3: Tốc độ gió trung bình ở độ cao 65 m, từ tháng 3 đến tháng 5................................... 8
Hình 1. 4 : Tốc độ gió trung bình ở độ cao 65 m, từ tháng 6 đến tháng 8.................................. 9
Hình 1. 5: Tốc độ gió trung bình ở độ cao 65 m, từ tháng 9 đến tháng 11............................... 10
Hình 1. 6: Bản đồ gió khu vực thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh Nam bộ........................... 12
Hình 2. 1: Phân bố mật độ xác suất số liệu tốc độ gió Nhà bè năm 2004 ............................... 34
Hình 2. 2: Phân bố mật độ xác suất số liệu tốc độ gió Cần giờ năm 1993 ............................... 34
Hình 2. 3: Sự phụ thuộc của số mũ chuẩn hóa m vào tốc độ gió trung bình tháng μ ............... 41
Hình 2. 4: Sự giống nhau giữa quan hệ độ lệch chuẩn vào tốc độ trung bình từng giờ và quan
hệ độ lệch chuẩn vào tốc độ trung bình hàng tháng.................................................................. 43
Hình 2. 5: Đồ thị biểu diễn thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày của các chuỗi số liệu quan
sát và giá trị trung bình của chúng............................................................................................ 47
Hình 2. 6: Đồ thị biểu diễn véc tơ đặc trưng cho thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày (đã làm
trơn bằng thuật tốn Robust lowess smoothing)....................................................................... 47
Hình 2. 7: Giao diện mơ phỏng................................................................................................. 53
Hình 3. 1: So sánh đồ thị hàm phân bố xác suất của chuỗi số quan sát tại Nhà bè năm 2005 và
của chuỗi số mơ phỏng ............................................................................................................. 61
Hình 3. 2: So sánh đồ thị hàm phân bố xác suất của chuỗi số quan sát tại trạm quan trắc Tân
Sơn Hịa (Tp Hồ Chí Minh) năm 2003 và của chuỗi số mơ phỏng .......................................... 61
Hình 3. 3: So sánh đồ thị hàm phân bố xác suất của chuỗi số quan sát tại Vũng Tàu năm 2003
và của chuỗi số mơ phỏng......................................................................................................... 62
Hình 3. 4 : So sánh đồ thị hàm phân bố xác suất của chuỗi số quan sát tại Phú Quốc năm 2005
và của chuỗi số mô phỏng......................................................................................................... 62
Hình 3. 5: So sánh đồ thị hàm mật độ xác suất của chuỗi số quan sát tại Nhà bè năm 2005 và
của chuỗi số mơ phỏng ............................................................................................................. 63
Hình 3. 6: So sánh đồ thị hàm mật độ xác suất của chuỗi số quan sát tại trạm quan trắc Tân
Sơn Hịa năm 2003 và của chuỗi số mơ phỏng......................................................................... 63

Hình 3. 7: So sánh đồ thị hàm mật độ xác suất của chuỗi số quan sát tại trạm quan trắc Vũng
tàu năm 2003 và của chuỗi số mơ phỏng.................................................................................. 64
Hình 3. 8: So sánh đồ thị hàm mật độ xác suất của chuỗi số quan sát tại trạm quan trắc Phú
Quốc năm 2005 và của chuỗi số mô phỏng .............................................................................. 64
Hình 3. 9: So sánh đặc tính tự tương quan của chuỗi số quan sát tại Nhà bè năm 2005 và của
chuỗi số mô phỏng.................................................................................................................... 65

-v-


CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Gió là hiện tượng khí hậu vừa gần gũi, vừa bí ẩn. Sống giữa thiên nhiên con người ln
có nhu cầu dự báo, mơ phỏng các thơng số khí tượng nói chung và tốc độ gió nói riêng.
Các số liệu này cần thiết cho rất nhiều lĩnh vực trong nền kinh tế cũng như cuộc sống
hàng ngày. Ngành xây dựng cần số liệu gió để tính tốn, mơ phỏng các cơng trình xây
dựng đặc biệt là các kết cấu cao tầng, các công trình biển, các đập nước v.v. Ngành mơi
trường cần số liệu gió để mơ phỏng, đánh giá tác động mơi trường của các cơng trình
cơng nghiệp v.v.
Có thể nói trong bất kỳ lĩnh vực nào, khi có nhu cầu mơ phỏng các vấn đề có liên quan
đến mơi trường chúng ta cũng cần có số liệu về gío mà một trong những thơng số quan
trọng nhất là tốc độ gió theo giờ và theo ngày.
Số liệu về gió cũng ln là thông số đầu vào không thể thiếu trong các bài tốn nhiệt:
-

Những bài tốn có liên quan đến trao đổi nhiệt, trao đổi chất với mơi trường.

-

Bài tốn thiết kế các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời: các bộ thu, các pin quang

điện v.v.

-

Bài tốn mơ phỏng để tính tốn tua bin gió

Sự phát triển của nền kinh tế, mà đồng thời với nó là đà cạn kiệt, đắt đỏ của các nguồn
năng lượng truyền thống cũng như sự phát sinh ngày càng nhiều các vấn đề môi trường
đặt ra nhu cầu ngày càng gay gắt về việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo nói chung
và năng lượng mới nói riêng. Với những ưu điểm hêt sức nổi bật về bảo vệ môi trường,
giá thành hạ, vận hành ổn định năng lượng gió ngày càng được chú ý phát triển. Ở nước
ta, một trong những khuynh hướng nghiên cứu đang được chú ý là thiết lập các hệ thống
cung cấp năng lượng cho vùng sâu vùng xa mà trong đó năng lượng gió đóng một vai trị
hết sức quan trọng. Những bài tốn như vậy ln ln cần đến số liệu về tốc độ gió.

Trang 1


Ở các nước tiên tiến, việc theo dõi số liệu về khí tượng nói chung và tốc độ gió nói riêng
được thực hiện một cách có hệ thống. Cơ quan khí tượng có thể cung cấp số liệu chi tiết
về tốc độ gió của từng vùng để phục vụ cho các nhu cầu tính tốn. Ở nước ta, các số liệu
này cịn rất nghèo nàn và khơng có hệ thống chưa kể còn được đo đạc bằng các kỹ thuật
đã cũ. Điều kiện số liệu như vậy gây rất nhiều khó khăn khi cần có số liệu về gió để lập
các chương trình mơ phỏng đặc biệt là khi tính toán các hệ thống cung cấp điện cho
những vùng xa, hải đảo.
Tình hình này đặt ra nhu cầu giải quyết bài tốn xây dựng một mơ hình cho phép mơ
phỏng để tạo ra chuỗi số liệu tốc độ gió cho từng giờ và từng ngày trong điều kiện khơng
có các số liệu thống kê đầy đủ.
Đó cũng chính là mục tiêu giải quyết của luận văn này. Nói một cách cụ thể hơn, mục
tiêu nghiên cứu của luận văn là trên cơ sở phân tích các số liệu hiện có xây dựng được

một mơ hình chung cho phép tạo ra chuỗi số liệu tốc độ gió từng giờ và từng ngày trên
cơ sở chỉ có thơng số đầu vào là trung bình tốc độ gió của tháng.

1.2. Đặc tính tốc độ gió nước ta và giới hạn phạm vi nghiên cứu
của đề tài
1.2.1. Các loại gió cơ bản:
Gió tại một địa điểm cụ thể là sự tổng hợp của hai hệ thống: gió tồn cầu và gió địa
phương. Gió tồn cầu là các loại gió có tác động trên phạm vi rộng, là đặc trưng của
các vùng khí hậu lớn (nhiệt đới, ơn đới, vùng cực v.v). Gió địa phương phụ thuộc vào
đặc điểm địa hình của từng khu vực cụ thể.
Gió tồn cầu:
Trái đất chính là một động cơ nhiệt khổng lồ với nguồn nóng đặt ở vùng xích đạo – nơi
hấp thụ nhiều bức xạ mặt trời hơn còn nguồn lạnh đặt ở hai cực, nơi hấp thụ ít bức xạ
mặt trời hơn. Sự chênh lệch này tạo ra dịng khơng khí đối lưu giữa xích đạo và hai cực
của trái đất. Bên cạnh đó, dịng khí trong q trình chuyển động từ xích đạo về hai cực

Trang 2


còn bị cuốn theo chiều quay của trái đất. Nếu bề mặt trái đất nhẵn tuyệt đối và khơng
khí trong khí quyển là đồng nhất, hồn tồn có thể xác định hướng và tốc độ gió thơng
qua một mơ hình vật lý đơn giản. Trong thực tế vấn đề khó khăn hơn nhiều do bề mặt
trái đất có hình dạng rất phức tạp. Sự khác biệt về khả năng hấp thụ nhiệt của đại
dương và đất liền, ảnh hưởng của các dịng hải lưu, v.v tạo nên đặc tính khác nhau của
gió ở các vùng khí hậu khác nhau. Nước ta nằm trong phạm vi của hai loại gió cơ bản:
ƒ Gió mậu dịch: Khơng khí được nung nóng ở vùng xích đạo sẽ bay lên và dịch
chuyển về hai cực. Khi chuyển động về hai cực, nhiệt độ không khí ngày càng
giảm, khơng khí ngày càng trở nên nặng hơn. Đến vùng gần chí tuyến bắc và chí
tuyến nam (khoảng vĩ độ 30 độ) , khơng khí trở nên đủ nặng để chìm xuống bề mặt
trái đất và lại chuyển động quay trở lại xích đạo thay thế cho lớp khơng khí nhẹ bay

lên. Hiện tượng này được gọi là gió mậu dịch, có hướng ổn định và thổi quanh năm.
ƒ Gió mùa: Sự khác biệt về nhiệt độ giữa lục địa châu Á và đại dương chính là động
lực tạo ra gió mùa. Vào mùa hè, lục địa châu Á hấp thụ nhiều bức xạ hơn đại dương
tạo nên luồng khơng khí từ Đại tây dương thổi qua đất Ấn độ vào lục địa châu Á
theo hướng tây nam. Vào mùa đông, lục địa châu Á lạnh hơn đại dương, tạo nên
luồng khơng khí từ lục địa châu Á ra Đại tây dương theo hướng đơng bắc.
Gió địa phương:
ƒ Gió biển: Vào ban ngày, đất liền bị nung nóng nhiều hơn mặt biển. Sự chênh lệch
nhiệt độ này tạo nên luồng khơng khí thổi từ biển vào đất liền. Tình hình xảy ra
ngược lại vào ban đêm, khi đất liền trở nên lạnh hơn mặt biển. Đây là hiện tượng
đặc trưng của gió địa phương tại các vùng ven biển. Loại gió này có chu kỳ ngày rất
rõ rệt, trong đó gió ban ngày mạnh hơn ban đêm do chênh lệch nhiệt độ ban ngày
lớn hơn. Mặt khác tốc độ gió vào buổi tối muộn cũng nhỏ hơn do chênh lệch nhiệt
độ vào giờ này là nhỏ nhất.
ƒ Gió núi: Gió núi thường thổi dọc theo các khe núi, thung lũng. Động lực tạo ra gió
núi chính là sự chênh lệch về lượng hấp thụ bức xạ mặt trời giữa các sườn núi và

Trang 3


giữa các vùng có cao độ khác nhau trong thung lũng, khe núi. Ở các dãy núi lớn,
hiện tượng này tạo nên các luồng gió thổi khá mạnh và ổn định.
1.2.2. Đặc tính của gió:
Gió được đặc trưng bởi hai thông số cơ bản: tốc độ và hướng. Trong phạm vi luận văn
này, chúng ta sẽ chỉ quan tâm đến tốc độ gió. Tốc độ gió là đại lượng có hai đặc tính cơ
bản:
ƒ Tính thống kê: là kết quả của một hệ thống nhiệt động cực kỳ phức tạp, khơng thể
xác định trước một cách chính xác giá trị tốc độ gió tại một thời điểm trong tương
lai. Khi dự đốn tốc độ gió, người ta chỉ có thể nói về xác suất xuất hiện của một
giá trị nào đó. Đặc điểm này làm cho tốc độ gió là một đại lượng có tính thống kê.

ƒ Tính chu kỳ: Ngoại trừ chu kỳ mùa, khi phân tích phổ chu kỳ của tốc độ gió, người
ta [10] nhận thấy có hai loại chu kỳ chủ yếu: chu kỳ dài theo từng ngày là hậu quả
của sự thay đổi của cả hệ thống khí hậu từng vùng, chu kỳ ngắn trong khoảng 10
giây là hậu quả của hiện tượng rối trong bản thân dịng khí. Qng thời gian giữa
hai loại chu kỳ này có độ dài từ 1 – 2 giờ là qng thời gian mà tốc độ gió có đặc
tính thuần nhất hơn cả. Đó chính là lý do khi nghiên cứu tốc độ gió người ta sử
dụng các chuỗi số liệu quan sát theo giờ. Bên cạnh đó số liệu gió cũng được xem
xét trong phạm vi từng tháng để loại bỏ ảnh hưởng của chu kỳ mùa.
1.2.3. Đặc điểm tốc độ gió ở nước ta:
Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, chịu ảnh hưởng của hai loại gió cơ
bản: gió mậu dịch và gió mùa. Nếu gió mậu dịch có chế độ khá ổn định quanh năm thì
gió mùa thay đổi theo chu kỳ mùa: vào mùa đông (từ tháng 10, 11 đến tháng 3,4 năm
sau) thổi theo hướng đông bắc, vào mùa hè (từ tháng 5, 6 đến tháng 9,10) thổi theo
hướng tây nam. Về cơ bản, miền Bắc và các khu vực cao ngun chịu ảnh hưởng nhiều
của gió mùa đơng bắc trong khi miền Nam và Nam Trung bộ chịu ảnh hưởng của gió

Trang 4


mùa tây nam. Mặt khác, sự khác biệt về địa hình cũng tạo ra sự khác biệt về đặc tính
tốc độ gió giữa đồng bằng, miền núi và ven biển. Các bản đồ hình 1.1, 1.2, 1.3, 1.4,1.5
trích từ Wind Energy Resource Atlas of Southeast Asia [23] cung cấp phân bố tốc độ
gió (mơ phỏng bằng chương trình MesoMap) ở nước ta và các nước lân cận. Từ các
bản đồ này có thể thấy tiềm năng năng lượng gió ở nước ta là hết sức đáng kể so với
các nước láng giềng.
Theo tài liệu có thể chia nước ta thành các vùng gió như sau (xem hình 1.1):
1) Vùng núi phía bắc (F-3)
2) Vùng núi tây bắc (F-2). Khá lặng gió loại trừ trên các đỉnh núi cao.
3) Vùng Bắc Bộ (E-3). Vùng này thực chất có thể chia làm hai khu vực: vùng trung
du phía bắc Hà Nội mang đặc trưng gió núi, vùng đồng bằng duyên hải từ Móng

Cái đến Đồng Hới mang đặc trưng gió biển
4) Vùng núi Trường Sơn tiếp giáp với biển (D-3). Gió thổi khá mạnh và đều
5) Vùng ven biển Bắc Trung bộ (D-4). Khá lặng gió
6) Vùng ven biển Nam Trung bộ (ký hiệu C-4). Gió thổi khá mạnh và đều.
7) Vùng Tây Nguyên (C-3)
8) Vùng Nam bộ (B-3). Đặc điểm địa hình bằng phẳng, giáp biển làm cho gió ở khu
vực này có đặc đính khá đồng đều tại các địa điểm khác nhau

Trang 5


Hình 1. 1: Phân vùng gió tại Việt Nam, Lào, Cam pu chia và Thái Lan

Trang 6


Hình 1. 2 : Tốc độ gió trung bình ở độ cao 65 m, từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau

Trang 7


Hình 1. 3: Tốc độ gió trung bình ở độ cao 65 m, từ tháng 3 đến tháng 5

Trang 8


Hình 1. 4 : Tốc độ gió trung bình ở độ cao 65 m, từ tháng 6 đến tháng 8

Trang 9

Hình 1. 5: Tốc độ gió trung bình ở độ cao 65 m, từ tháng 9 đến tháng 11

Trang 10


1.2.4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là thiết lập một mơ hình cho phép tạo ra chuỗi số liệu tốc độ gió
từng giờ từ số liệu trung bình tháng. Mục tiêu này được xây dựng trên giả thuyết căn
bản: đặc tính tốc độ gió theo giờ là thuần nhất trong tồn vùng khí hậu, giả thuyết này
cho phép xây dựng một mơ hình chung cho tồn vùng trên cơ sở thơng số đầu vào duy
nhất là số liệu tốc độ gió trung bình tháng. Dễ nhận thấy rằng, mơ hình như vậy chỉ có
thể áp dụng một cách tin cậy trong phạm vi một khu vực có địa hình và đặc tính khí
hậu tương đối thuần nhất. Xuất phát từ các phân tích ở phần 1.2.3 và điều kiện số liệu
hiện có, đề tài sẽ tập trung vào việc xây dựng một mơ hình chung cho phép mơ phỏng
số liệu tốc độ gió từng giờ trong vùng Nam Bộ (vùng B-3 hình 1.1 và hình 1.6) từ số
liệu tốc độ trung bình tháng tại từng địa điểm. Với mục tiêu chính là mơ phỏng chuỗi
số liệu tốc độ gió từng giờ phục vụ các bài tốn nhiệt và năng lượng gió, mơ hình sẽ
khơng mơ phỏng các giá trị bất thường của chuỗi số liệu như hiện tượng bão, lốc v.v.

Trang 11


Hình 1. 6: Bản đồ gió khu vực thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh Nam bộ

Trang 12


1.3. Các thuật ngữ và khái niệm cơ bản
1.3.1. Một số khái niệm:

Chuỗi thời gian: là tập hợp các giá trị quan sát được sắp xếp theo thứ tự thời gian.
Chuỗi giá trị tốc độ độ gió là một chuỗi thời gian rời rạc với các giá trị quan sát được
Xt được xác định tại các thời điểm t=1,2,…, N trong đó N là độ dài của chuỗi thời gian.
Phần lớn các chuỗi thời gian quan sát được trong tự nhiên, kinh tế và kỹ thuật không
phải là chuỗi số ngẫu nhiên thuần túy mà luôn bao hàm các thành phần biến đổi có
khuynh hướng và có chu kỳ, các giá trị của chuỗi thời gian có liên hệ với nhau: giá trị
hiện tại phụ thuộc vào giá trị trước đó.
Tất định và thống kê: Chuỗi thời gian là có tính tất định nếu giá trị tương lai có thể
xác định một cách chính xác từ các giá trị quá khứ. Nếu khơng đảm bảo điều kiện này,
người ta nói chuỗi thời gian có tính thống kê. Chuỗi số liệu tốc độ gió ln là chuỗi
thời gian có tính thống kê. Trong luận văn này, khi nói tới khái niệm chuỗi thời gian,
chúng ta hiểu đó là chuỗi thời gian có tính thống kê.
Chuỗi thời gian tuyến tính: Chuỗi thời gian có tính thống kê Xt được gọi là tuyến tính
khi có thể mơ tả ở dạng: X t = ∑φi X t −i + ε t trong đó φi là các hệ số khơng đổi cịn εt là
một nhiễu trắng có trung bình bằng khơng và phương sai khơng đổi.
Hàm mật độ xác suất (probability density function – pdf): Hàm mật độ xác suất của
một biến ngẫu nhiên X, ký hiệu là f(x) là hàm số biểu diễn xác xuất mà biến X nhận giá
trị x với x là số thực bất kỳ
f(x) = P(X=x)
Hàm phân bố xác suất (cumulative distribution function - cdf): Hàm phân bố xác
suất của biến ngẫu nhiên X là hàm số biểu diễn xác suất mà biến ngẫu nhiên X nhận
giá trị nhỏ hơn hoặc bằng một số thực x bất kỳ:
F ( x) = P ( X ≤ x)) = ∑ f (u )
upx

Trang 13


Phân bố chuẩn: Biến ngẫu nhiên X được coi là có phân bố chuẩn nếu hàm mật độ xác
suất f(x) có dạng:

−
1
f ( x) =
e
σ 2π

( x − μ )2
2σ 2

Trong đó μ và σ là trung bình và độ lệch chuẩn của biến ngẫu nhiên X. Biến ngẫu
nhiên X có phân bố chuẩn chuẩn hóa là biến có phân bố chuẩn với μ = 0 và σ=1.
Phân bố Weibull: Biến ngẫu nhiên X được coi là có phân bố Weibull nếu hàm mật độ
xác suất f(x) có dạng:
x

k x k −1 − ( c ) k
f ( x) = ( ) e
c c

Trong đó k là thơng số hình dạng (shape parameter) và c là thông số tỉ lệ (scale
parameter)
Các thông số đặc trưng của chuỗi thời gian:
ƒ Giá trị trung bình (mean) μ =

1
N

n

∑ X (t )

1

2

ƒ

1 n
Phương sai (variance) σ = ∑ ( X (t ) − μ )
N 1
2

ƒ Độ lệch chuẩn (standard deviation) σ =

1
N

n

2

∑ ( X (t ) − μ )
1

ƒ Trung vị (median): là giá trị chia hàm mật độ xác suất làm 2 phần bằng nhau. Nói
cách khác trung vị là giá trị chia tập hợp các giá trị của biến thời gian thành 2 phần
bằng nhau khi chúng ta sắp xếp chúng theo thứ tự độ lớn tăng dần. Chuỗi phân bố
normal có giá trị trung bình bằng trung vị.
ƒ Hệ số tự tương quan (Autocorrelation function -acf) và hệ số tự tương quan riêng
(partial autocorrelation function - pacf): hai đại lượng đặc trưng cho sự liên hệ giữa
các giá trị trong chuỗi thời gian

1) acf lag k (ρk) được xác định bằng biểu thức

Trang 14