Hướng tới những ngôi nhà năng lượng bằng không: Tối ưu hóa quy mô của hệ thống quang điện
bởi Viện Công nghệ Tokyo
Những nỗ lực này sẽ thúc đẩy việc áp dụng sản xuất năng lượng tái tạo để hiện thực hóa những ngôi nhà năng lượng bằng không. Nguồn: Viện Công nghệ Tokyo
Các tòa nhà dân cư chiếm tỷ lệ lớn trong mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu và nhiều quốc gia trên thế giới đang tìm kiếm các giải pháp hiệu quả cho vấn đề này trong bối cảnh cuộc khủng hoảng năng lượng đang diễn ra. Phù hợp với những nỗ lực toàn cầu nhằm tránh xa nhiên liệu hóa thạch, một lựa chọn hấp dẫn là làm cho các ngôi nhà có thể tự cung tự cấp bằng cách cho chúng tạo ra điện - điều thường đạt được bằng cách sử dụng hệ thống quang điện (PV).
Một vấn đề thường xuyên xảy ra khi cố gắng quảng bá hệ thống quang điện ở các khu dân cư là tính toán kích thước của các tấm pin mặt trời và pin là tối ưu cho mỗi ngôi nhà. Mặc dù có vẻ đơn giản nhưng việc tìm ra giải pháp tối ưu cho vấn đề này đối với nhiều ngôi nhà nhanh chóng trở nên phức tạp về mặt tính toán. Điều này thậm chí còn tồi tệ hơn nếu tính đến nhiều yếu tố không chắc chắn, bao gồm sự thay đổi về bức xạ mặt trời trung bình, mô hình tiêu thụ năng lượng và khả năng chia sẻ năng lượng giữa các gia đình.
Trong bối cảnh đó, một nhóm nghiên cứu đến từ Nhật Bản, trong đó có Giáo sư Takeshi Hatanaka từ Viện Công nghệ Tokyo, đã đưa ra một phương pháp mới và hiệu quả để giải bài toán tối ưu hóa nêu trên. Như đã giải thích trong bài báo của họ, được xuất bản gần đây trên IEEE Access vào ngày 6 tháng 6 năm 2024, phương pháp đề xuất nhằm mục đích hiện thực hóa những ngôi nhà năng lượng ròng bằng 0 (ZEH)—tức là những ngôi nhà được thiết kế để có mức tiêu thụ năng lượng ròng hàng năm gần bằng 0. Công trình này là nghiên cứu hợp tác với Đại học Waseda và Đại học Toyama.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu hình thành vấn đề tối ưu hóa như một hệ thống các phương trình toán học và các bất đẳng thức mà khi giải được sẽ mang lại kích thước tối ưu của các tấm quang điện và pin về cả chi phí và độ trung hòa carbon. Họ xem xét các trường hợp trong đó mỗi ngôi nhà phải tự sản xuất năng lượng, cũng như các trường hợp cho phép chia sẻ năng lượng giữa các ngôi nhà, được gọi là "nền kinh tế chia sẻ".
Thách thức chính mà nhóm phải giải quyết là các vấn đề tối ưu hóa phức tạp như vậy thường không lồi. Nói cách khác, do tính chất của vấn đề, các thuật toán giải có thể bị lừa để giải quyết một giải pháp dưới mức tối ưu. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã áp dụng một loạt các phép biến đổi thông minh để biến bài toán ban đầu thành bài toán quy hoạch tuyến tính (LP), dễ xử lý hơn.
Sau đó, để kiểm tra cách tiếp cận của mình, nhóm đã áp dụng khuôn khổ đề xuất cho một khu dân cư ở Nhật Bản, nơi có cả dữ liệu về mức tiêu thụ năng lượng và sản xuất năng lượng mặt trời cho 134 hộ gia đình. Đúng như dự đoán, họ có thể nhanh chóng tìm ra giải pháp tối ưu cho cả nền kinh tế cá nhân và nền kinh tế chia sẻ.
Hatanaka nhấn mạnh: “Các ví dụ bằng số của chúng tôi tận dụng dữ liệu trong thế giới thực thay vì dựa vào dữ liệu tổng hợp, nâng cao tính xác thực cho các phát hiện của chúng tôi”. "Chúng tôi đã chứng minh rằng việc đạt được trạng thái ZEH không làm tăng đáng kể chi phí, điều này ngụ ý rằng đó là mục tiêu khả thi đối với nhà ở ở Nhật Bản."
Điều đáng chú ý là thử nghiệm trên cũng cho thấy rằng các bộ giải có sẵn trên thị trường không thể giải quyết được vấn đề tối ưu hóa ban đầu do tính phức tạp tuyệt đối của nó.
Hatanaka cho biết thêm: "Khi xem xét dữ liệu trong khoảng hai tháng, vấn đề ban đầu trở nên khó khăn về mặt tính toán, mất tới 14 giờ để giải quyết bằng các bộ giải thương mại. Ngược lại, toàn bộ vấn đề có thể được giải quyết trong vòng chưa đầy 10 giây bằng cách sử dụng các phép biến đổi LP của chúng tôi". .
Kết hợp lại với nhau, những phát hiện của nghiên cứu này có thể đóng góp đáng kể vào việc áp dụng và triển khai các hệ thống năng lượng tái tạo trong các khu dân cư bằng cách cho phép các nhà quy hoạch có được kích thước vừa phải của các tấm pin mặt trời và pin. Các nhà nghiên cứu hy vọng những nỗ lực này sẽ mở đường cho các thành phố có nhiều ZEH.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
