Luận văn: 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 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
—————
TRẦN HỒNG HÀ
LẬP CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN SỐ LIỆU GIÓ THEO GIỜ VÀ THEO NGÀY TỪ SỐ LIỆU TRUNG BÌNH THÁNG
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ NHIỆT
MÃ SỐ: 60.52.80
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2006
TÓM 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 mô hình toán cho phép lập chương trình mô phỏng trên máy tính để tạo ra chuỗi số liệu tốc độ gió theo giờ và theo ngày trong điều kiện không 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 mô hình mô 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 mô hình đã có trong dự báo tốc độ gió, kết quả thực hiện đề tài đã xây dựng được một mô hình tính toán thích hợp cho phép mô 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 mô phỏng và số liệu quan sát cho thấy mô hình hoàn toàn đảm bảo độ tin cậy cần thiết. Sự hạn chế về cơ sở dữ liệu làm cho mô 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 mô hình hóa thống kê tuyến tính có ý nghĩa khoa học, xây dựng được các chương trình tính toán có tính tổng quát làm cơ sở xây dựng các mô hình chung áp dụng cho các vùng khí hậu và địa hình khác nhau ở nước ta khi điều kiện số liệu cho phép.
Mô hình đề xuất trong luận văn có thể sử dụng như một module trong việc xây dựng các phần mềm mô phỏng lớn hơn phục vụ các bài toán mô phỏng thời tiết, mô phỏng hệ thống năng lượng, mô phỏng các thiết bị nhiệt.
Giao diện mô phỏng được viết bằng ngôn 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 mô hình đa biến hoàn thiện hơn cho phép mô phỏng tổng hợp các thông số khí hậu khác như hướng gió, nhiệt độ, độ ẩm,… phục vụ giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp hơn.
MỤC LỤC
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 mô hình hóa thống kê tuyến tính ………………………………………………….. 16
1.3.5. Nguyên lý mô 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 mô phỏng chuỗi Markov …………………………………………………. 22
1.4.4. Xây dựng mô hình chung để mô phỏng tốc độ gió từng giờ cho những địa điểm không 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 MÔ HÌNH ………………………………………….. 27
2.1.Nguyên lý xây dựng mô hình ……………………………………………………………………………….. 27
2.2.Dữ liệu phục vụ xây dựng mô hình ……………………………………………………………………….. 27
2.3.Dạng mô hình, phương pháp và kết quả mô hình hóa các chuỗi số liệu quan sát ………….. 29
2.3.1. Dạng mô 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 vecto đặc trưng cho thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày của tốc độ gió µth 35
2.3.2.3.Phương pháp xác định các tham số mô hình hóa Box-Jenkins ……………………………… 35
2.3.3. Kết quả mô hình hóa các số liệu quan sát ………………………………………………………….. 36
2.4.Kết quả xây dựng mô 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 vecto độ lệch chuẩn trung bình từng giờ và vecto tốc độ gió trung bình từng giờ …………………………………………………………………………………………………. 41
2.4.3. Xác định vecto đặc trưng cho thành phần biến đổi theo chu kỳ ngày của tốc độ gió .. 43
2.4.4. Xác định mô hình ARMA chung ……………………………………………………………………… 48
2.4.4.1.Xác định dạng của mô hình ARMA chung ……………………………………………………….. 48
2.4.4.2.Xác định các tham số của mô hình chung ………………………………………………………….. 48
2.4.5. Tổng hợp các tham số của mô hình và sơ đồ thuật toán mô phỏng ……………………….. 49
2.4.5.1.Tổng hợp các tham số của mô hình …………………………………………………………………… 49
2.4.5.2.Thuật toán tạo ra chuỗi Ut* có trung bình bằng 0 từ mô hình AR(2) ……………………. 50
2.4.5.3.Thuật toán tạo ra chuỗi số liệu tốc độ gió theo giờ Ut từ tốc độ trung bình tháng µ .. 51
2.4.5.4.Thuật toán 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 mô hình hóa và mô phỏng ………………………………………………. 52
2.5.1. Chương trình mô phỏng ………………………………………………………………………………….. 52
2.5.2. Chương trình mô hình hóa ………………………………………………………………………………. 53
2.5.3. 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 mô hình ………………………… 65
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ………………………………………………………………………………………… 67
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ……………………………………………………. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………………………………………… 70
PHỤ LỤC – CÁC CHƯƠNG TRÌNH MATLAB ……………………………………………………….. 73
- Tóm tắt nội dung các chương trình …………………………………………………………………… 73
- Nội dung các chương trình mô 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
- Nội dung các chương trình mô 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
- Nội dung các chương trình kiểm tra ……………………………………………………………….. 100
4.1.Chương trình testcwindsim.m ……………………………………………………………………….. 100
4.2.Chương trình wpdensity.m ……………………………………………………………………………. 102
4.3.Chương trình windpower.m ………………………………………………………………………….. 103
4.4.Chương trình SosanhCDF.m …………………………………………………………………………. 104
4.5.Chương trình mypdfplot.m ……………………………………………………………………………. 105
