Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển hệ thống gương mặt trời

1 .. 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 Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: Học viên: DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG Ngƣời HD khoa học: PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC 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 Học viên PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG Ban giám hiệu Khoa Sau Đại học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Dương Vũ Nhật Đồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng 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 hƣớng dẫn và cung cấp cho em những tài liệu để hoàn thành luận văn này, cũng nhƣ 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 Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo trong suốt khóa học vừa qua. Xin cảm ơn các thành viên trong gia đình, những ngƣời luôn dành cho tác giả những tình cảm nồng ấm và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống. Luận văn cũng là món quà tinh thần mà tác giả trân trọng gửi tặng đến các thành viên trong gia đình. Cuối cùng xin gửi đến những ngƣời thân yêu, các bạn, các anh chị, các đồng nghiệp… đã góp ý giúp đỡ về tinh thần cũng nhƣ về kinh nghiệm, kiến thức một lời biết ơn sâu sắc nhất. TÁC GIẢ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các bảng Danh mục các 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 thành phần của bức xạ mặt trời ......................................................... 7 1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng ......................................................... 8 1.4.1. Hiệu ứng nhà 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 nhà kính ............................................... 20 1.5.4.2 Bếp mặt trời hội tụ ............................................................................ 21 1.5.5. Sƣởi ấm nhà cửa, chuồng trại.............................................................. 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 1.5.6. Pin mặt trời ......................................................................................... 24 1.5.6.1. Cấu tạo và 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 và 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 thành .................................................................... 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 vào/ra.................................................................. 63 3.4.2.Xác định tập mờ ................................................................................... 63 3.4.3. Xây dựng các luật điều khiển .............................................................. 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 3.4.4. Chọn thiết bị hợp thành ....................................................................... 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 và Mờ ........................ 84 4.3.1. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và 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 và 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 và hƣớng nghiên cứu tiếp theo ................................................ 95 Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 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 3.1 3.2 4.1 4.2 Tên gọi Bảng tổng kết các tiêu chuẩn phẳng Quy tắc xác định bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng Các trạng thái khác nhau của gƣơng mặt trời Các luật điều khiển hợp thành Trang 47 52 73 82 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Tên gọi Trang Phổ bức xạ mặt trời Sự chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng của quả đất 6 1.3 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính 8 1.4 Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nƣớc nóng Hệ sản xuất nƣớc nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lƣu tự nhiên Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên gồm nhiều bộ thu nối song song Hệ sản xuất nƣớc nóng bằng NLMT đối lƣu cƣỡng bức Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lƣu tự nhiên 11 1.1 1.2 1.5 1.6 1.7 1.8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 12 13 14 17 http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lƣu cƣỡng bức Hệ sấy đối lƣu cƣỡng bức gián tiếp Sơ đồ hệ thống chƣng cất nƣớc bằng NLMT Một thiết kế thông dụng của hệ lọc nƣớc bằng NLMT Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính Bếp NLMT hội tụ Hệ thống sƣởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT Hệ thống sƣởi NLMT sử dụng nƣớc làm chất thu và tải nhiệt Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si Sơ đồ cấu tạo PMT Si Một mô đun PMT hoàn thiện (nhìn từ mặt trên Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lƣới Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dùng máng phản xạ cong Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời sử dụng các máng parabol cong Mô hình điều khiển tỷ lệ cố định Mô hình điều khiển PSA Mô hình điều khiển thông minh Bộ điều khiển mờ cơ bản Một bộ điều khiển mờ động Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ PID Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ Mô hình cấu trúc của hệ thống gƣơng mặt trời Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời Đặc trƣng của động cơ một chiều Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ Định nghĩa các tập mờ cho biến CH của bộ điều khiển mờ Định nghĩa các tập mờ cho biến dCH của bộ điều khiển mờ Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 18 19 19 20 22 23 24 25 26 26 28 29 33 34 36 37 40 54 55 59 62 67 68 69 71 72 73 76 77 77 78 80 80 81 82 83 http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 4.13 3.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ động Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ và PID thiết kế Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID khi tín hiệu vào là hàm 1(t) Kết quả mô phỏng của khi tín hiệu đặt vào là xung vuông Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ và PID khi có nhiễu phụ tải Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID khi nhiễu phụ tải Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi nhiễu phụ tải là 2 xung vuông Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =1(heri) Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =2(heri) Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =3(heri) Kết quả mô phỏng khi J = 0,05 (Kgm2/s2) Kết quả mô phỏng khi J = 0,1 (Kgm2/s2) Kết quả mô phỏng khi J = 0,2 (Kgm2/s2) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 84 85 85 86 87 87 88 89 90 90 91 92 92 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 lƣợng 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 đƣợc sử dụng rất rộng rãi 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 và có độ chính xác càng cao càng tốt. Đây là những yêu cầu khó thực hiện khi thông tin có đƣợc về tính điều khiển đƣợc và 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 và điều khiển cho hệ thống làm việc trong môi trƣờng phức tạp, hiện nay một số kỹ thuật mới đƣợc 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 đƣợc sử dụng và 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 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 hƣớng xử lý tối ƣu 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 đƣợc (càng chính xác càng tốt) thế giới khách quan. Tri thức chuyên gia đƣợc thể hiện dƣới dạng các luật mang tính kinh nghiệm, các luật này là rất quan trọng vì Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 chúng tạo thành các điểm chốt cho mô hình suy luận xấp xỉ để tìm ra đại lƣợng điều khiển cho phép thoả mãn (có khả năng tối ƣu) mục tiêu điều khiển với độ chính xác nào đó. Chiến lƣợc suy luận xấp xỉ càng tốt bao nhiêu, đại lƣợng điều khiển tìm đƣợc 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 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 đã 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 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 tƣơng đối thỏa đáng bài 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 là độ chính xác chƣa cao và sẽ còn là bài toán mở trong tƣơng 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 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 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 đƣợc, 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 của nó chỉ nhận thấy đƣợc giữa các quan hệ của chúng đối với nhau và cũng chỉ mô tả đƣợc bằng ngôn ngữ, đã cho ra quyết định hợp lý. Chính khả Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 năng này đã làm cho điều khiển mờ sao chụp đƣợc phƣơng thức xử lý thông tin và điều khiển cụ thể đã giải quyết thành công một số bài toán điều khiển phức tạp mà trƣớc đây không giải quyết đƣợc. 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 h ỏi tính trật tự theo ngữ nghĩa của hệ luật điều khiển. Trong logic mờ và 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 thành, … đƣợc sử dụng trong bài toán suy luận xấp xỉ. Đây là một điểm mạnh có lợi cho quá trình suy luận mềm dẻo. Hiện nay, Năng lƣợng mặt trời đƣợc xem nhƣ là nguồn sạch và tái tạo năng lƣợng cho tƣơng lai, nó cũng là 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 làm năng lƣợng nhiệt hoặc điện. Bên cạnh đó nhờ các bộ gom nhiệt mặt trời và các bộ hiệu ứng quang điện của chất bán dẫn đã 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 này dẫn tới việc nghiên cứu sự bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất và 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 này “Nghiên cứu hệ thống điều khiển gƣơng mặt trời bằng bộ điều khiển mờ”, mục đích chính là tìm mặt trời và 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 và 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 và điều khiển mờ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Chƣơng 4: Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống gƣơng mặt trời. Do trình độ và thời gian hạn chế, em rất mong nhận đƣợc những ý kiến góp ý của các thầy giáo, cô giáo và các ý kiến đóng góp của đồng nghiệp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 CHƢƠNG I NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ 1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng mà con ngƣời biết sử dụng từ rất sớm, nhƣng 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 nƣớc nhiều năng lƣợng mặt trời, những vùng sa mạc. Có thể xem mặt trời là 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 ngoài của nó. Thành phần hóa học của mặt trời: khoảng 70-71% khí Hydro (H2), 2729% Heli (He), các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 13%. Các điều kiện về áp suất, nhiệt độ và thành phần khí quyển trên mặt trời là điều kiện lý tƣởng cho phản ứng nhiệt hạt nhân và tạo ra nguồn năng lƣợng khổng lồ. Công suất bức xạ của mặt trời là 3,86.1026 W, tƣơng đƣơng năng lƣợng đốt cháy hết 1,32.1016 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) là sóng điện từ có phổ bƣớc sóng rất rộng, từ hàng 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). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Tia vũ Tia Tia Tia tử trụ  Rơnghen ngoại -10 10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 Tia hồng ngoại 0 10 10 Sóng ngắn 2 4 10 () Sóng vô tuyến điện 6 10 8 10 10 m) 12 10 10 14 10 Tia nhìn thấy 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,… làm tán xạ, hấp thụ, nên phổ và 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 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 23,50 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 cƣờng 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 B N 21-9 Thu phân N Đƣờng xích đạo B 23,5 0 Pháp tuyến quĩ đạo quả đất N N Vĩ tuyến 23,5 0 Bắc Mặt trời 21-12 Đông chí Vĩ tuyến 23,5 0 Nam B Tia mặt trời Đƣờng xích đạo Tia mặt trời N N B 21-6 Hạ chí Trục quay riêng của quả đất N Quĩ đạo của quả đất N 21-3 Xuân phân 23,5 0 Hình 1.2: Sự chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng của quả đất 1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời BXMT tới mặt đất gồm 2 thành phần đƣợc 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 phƣơng 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 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,… 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 lƣợng trực xạ, nhiễu xạ hay tổng xạ đƣợc đo trong cả ngày và theo đơn vị MJ/ m2.ngày hay kW/ m2.ngày. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Thông thƣờng ở các Trạm khí tƣợng thuỷ văn ngƣời 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  nào 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 này không lớn, nên dƣới 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 đƣợc chế tạo dựa trên nguyên lý “hiệu ứng nhà 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 dàng, trong khi đó các bức xạ có  < 0,7m (các tia này còn đƣợc gọi là 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). Thành xung quanh và đáy hộp có lớp vật liệu cách nhiệt dày (2). Đáy trong của hộp đƣợc làm bằng tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và đƣợc gọi là tấm hấp thụ (3). 4 1 2 1 TÊm kÝnh 2 Líp vá c¸ch nhiÖt 3 TÊm hÊp thô 4 Tia s¸ng mÆt trêi 3 Hình 1.3: Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Nhƣ đã 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 này Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 hấp thụ năng lƣợng 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 bƣớc sóng 0,7m, hƣớng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị tấm kính ngăn lại, không ra ngoài đƣợc. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận BXMT nên tấm hấp thụ đƣợc nung nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ. Nhƣ vậy năng lƣợng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống nhƣ một cái bẫy nhiệt - năng lƣợng vào đƣợc nhƣng 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 lƣợng mà 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 nhà kính nhƣ đã mô tả trên, nhƣng 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 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 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 đƣợc đậy bằng một hay vài lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này 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 già hoá lại nhanh, do đó hệ số truyền qua sau khoảng 5 –10 năm có thể giảm 5  10%. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn