Nghiên cứu điều khiển hệ thống gương mặt trời bằng đại số gia tử

Nghiên cứu điều khiển hệ thống gương mặt trời bằng đại số gia tử

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƯƠNG MẶT TRỜI

BẰNG ĐẠI SỐ GIA TỬ

Ngô Kiên Trung*, Nguyễn Tiến Duy, Chu Minh Hà, Dương Quốc Tuấn

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Bài báo đưa ra một phương pháp điều khiển

mới nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình

thu nhiệt từ năng lượng 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 lượng 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 lượng mặt

trời Ngoài việc đưa 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

lượng 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 GƯƠNG MẶT TRỜI

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà

con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng

dụng năng lượng 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

lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào

thực tế là vấn đề có tính thời sự Thiết bị sử dụng

năng lượng mặt trời giá thành còn cao, hiệu suất

còn thấp còn các bộ thu có máng cong phản xạ

parabol thì thu được nhiệt độ cao nhưng vấn đề

định vị hứng nắng theo hướng mặt trời rất phức

tạp nên việc vận hành nhiều khó khăn Nội dung

bài báo giới thiệu hệ thống thu năng lượng mặt

trời sử dụng máng cong parabol và một phương

pháp điều khiển mới cho hệ thống này

Hệ thống thu năng lượng mặt trời sử dụng các

máng cong parabol (PTSCS), tập trung năng

lượng mặt trời vào một ống thu chạy ở trong

lòng máng Bởi với hình dáng parabol, máng có



Tel: 0916 633119, Email: trungokien@tnut.edu.vn

thể tập trung ánh mặt trời trên các đường ống này với cường độ gấp 30-60 lần Năng lượng tập trung đun nóng một chất lỏng truyền nhiệt, thường là dầu, chảy qua đường ống Bộ thu nhiệt được đặt phía trên máng theo hướng đông-tây xoay theo mặt trời để tập trung được tốt nhất nhiệt năng từ các ống thu

Hình 1 Hệ thống gương mặt trời

Hình 2 Quay gương theo bước cố định

Hiệu suất của bộ thu quang học là hàm của 5 hệ số: độ phản xạ bề mặt gương, độ trong suốt lớp phủ bề mặt gương, 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 thường góc tới (K=1) do đó:

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

hàm của các tham số về mặt hình học cũng như

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 gương

- 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 hưởng 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

gương và hệ thống điều khiển sao cho bề mặt

gương parabol luôn hướng 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 được dùng là kinh độ

và vĩ độ căn cứ vào vị trí địa lý của của gương

và biến là thời gian được tính từ bộ vi xử lý Tín

hiệu phản hồi được lấy từ encoder xác định vị

trí, để so sánh vị trí tính toán với vị trí thực của

gương

Vị trí mặt trời được xác định như 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

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()

-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

lmst=(gmst 15+long) ( /180)   (13)

=lmst-ra



(14)

-1

z=cos [cos( )cos( )cos( ) +sin( )sin( )]





tan tan( ) os( )-sin( )cos( )c





sin( )z

EarthMeanRadius

t z Parallax

  

(18)

tan





 



  (19)

Điều khiển dựa trên đại số gia tử Đại số gia tử (HA: Hedge Algebra) là sự phát

triển dựa trên tư 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 dưới 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 lượng

(SQM: Semantic Quantifying Mapping) như

sau:

Hình 4 Sơ đồ điều khiển sử dụng HA

Thiết kế bộ điều khiển sử dụng HA

Mô hình điều khiển này được dựa trên nền tảng

với ba đầu vào là vị trí gương (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 được xây dựng từ các biến

của đối tượng 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

biến 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 lượng của các biến như 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)

Như 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

Theo [4], ta tính toán được các giá trị ngữ nghĩa

định lượng của các biến như 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 lược các luật không cần thiết

để được:

Bảng 1 Bảng luật điều khiển giản lược

Rule

No

WIND

_SPEED

FLUITD

1 win-zer cold enc-neg rev-med

2 win-zer hot enc-neg rev-fas

3 win-med cold enc-neg rev-slo

5 win-max cold enc-neg rev-slo

7 win-zer cold enc-zer stop

8 win-zer med enc-zer rev-slo

10 win-med cold enc-zer fwd-slo

13 win-med cold enc-pos fwd-fas

Xây dựng bảng các luật điều khiển ngữ nghĩa

định lượng tương ứng như sau:

Bảng 2 Bảng định lượng ngữ nghĩa tương ứng

Rule

No

WIND_SPEED&FLUITD_

TEMP& ENCODER POSITION

Hình 5 Đường cong biểu diễn quan hệ vào - ra

KẾT LUẬN

- Hầu hết các hệ thống điều khiển gương mặt trời là hệ hở Trong giải pháp điều khiển được 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 bước đầu được xây dựng kế thừa hệ luật trên nền của mô hình mờ, từ đó có thể phát triển với số lượng 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 phương pháp điều khiển mờ vì có rất ít các yếu tố ảnh hưởng 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

[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 impr ove 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: trungokien@tnut.edu.vn