Đặt vấn đề Hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế và gia tăng dân số dẫn đến tốc độ sử dụng năng lượng ngày càng tăng, làm cho các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng trở nên khan hiếm. Một trong những vấn đề về năng lượng là sự thiếu hụt điện do việc sử dụng điện ngày càng gia tăng nhằm phục vụ cho các nhu cầu như sản xuất, sinh hoạt và các mục đích khác. Do vậy, trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng cần có các chiến lược chung và dài hạn nhằm đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách khai thác tiết kiệm, hiệu quả và giảm thiểu sự phụ thuộc vào những nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu khí, thủy điện… đồng thời mở rộng ứng dụng các nguồn năng lượng mới, đặc biệt ưu tiên phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời, thủy triều, sinh khối.… Việt Nam là nước có hơn 3000km đường bờ biển và nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên được đánh giá là một trong những quốc gia có tiềm năng năng lượng gió khá tốt. Tuy nhiên, hiện nay các dự án điện gió ở Việt Nam vẫn chưa thu hút được các nhà đầu tư trong và ngoài nước, điện gió vẫn chưa phát huy được hết tiềm năng của mình.
Với mô hình hệ thống turbine gió truyền thống thì hiệu suất năng lượng thu được vẫn chưa mấy khả quan cho các nhà đầu tư. Bên cạnh đó, nếu xét về tiềm năng của năng lượng gió thì hơn 65% năng lượng gió hiện tại nằm ở độ cao mà các hệ thống turbine gió truyền thống không thể vươn đến, hoặc phải chi trả thêm một khoản lớn chi phí đầu tư cho việc xây dựng trụ turbine cao hơn và chi phí bảo trì. Chưa kể đến việc các nhà máy điện gió trên đất liền chiếm dụng khá nhiều đất đai và ô nhiễm tiếng ồn. Có thể dễ dàng thấy một định luật rằng càng lên cao gió càng mạnh và càng ổn định vì không có ma sát với bề mặt Trái Đất hoặc các công trình.
Do vậy, không chỉ tại Việt Nam mà còn cả trên toàn thế giới, lượng năng lượng của ngành công nghiệp điện gió mang lại hiện tại được xem là vẫn chưa phản ánh đúng tiềm năng to lớn của nó. Theo các nghiên cứu nếu có thể tận dụng hết tiềm năng của gió thì sẽ đủ đáp ứng hơn 20 lần lượng năng lượng mà cả thế giới cần. Do đó, một khái niệm mới về “High Attitude Wind Energy” sớm được các nhà nghiên cứu tập trung nghiên cứu và đưa ra các thiết kế về hệ thống Airborne Wind Energy để có thể giúp Turbine có thể lấy được nguồn năng lượng từ gió ở độ cao không giới hạn. Mục tiêu TIến hành mô phỏng mô hình tuabin gió trên khí cầu công suất 7,5kW phục vụ cho việc cung cấp điện trong hộ gia đình, sử dụng ở những nơi khó truyền tải điện như vùng sâu vùng xa, biển đảo.
Ngoài ra, hệ thống được tích hợp thêm các tính năng để có thể đo đạc các thông số thời tiết cũng như truyền tải mạng Internet trong khu vực. Mặt khác, với kích thước, trọng lượng nhẹ hơn so với các hệ thống điện khác, hệ thống tuabin gió trên khí cầu là giải pháp cho việc cung cấp điện cho các vùng sau thiên tai lũ lụt 2 Luan van Phƣơng pháp, cách tiếp cận - Đề tài được tiếp cận qua việc nghiên cứu các thông tin và tài liệu từ giảng viên hướng dẫn, các thầy cô, các bài báo khoa học và từ các tổ chức đã thiết kế các hệ thống AWE trên thế giới, …Từ đó, đưa ra định hướng và ý tưởng thiết kế cho hệ thống phù hợp với mục đích nghiên cứu của mình. Thu thập lý thuyết từ các nguồn và tiến hành mô phỏng được chất lượng điện năng của hệ thống bằng cách tính toán và lựa chọn thiết bị phù hợp với hệ thống. Nghiên cứu hoạt động của hệ thống trong từng điều kiện thời tiết.
Khả năng chịu được tối đa của hệ thống trong các điều kiện thời tiết khác nhau. Về phương pháp nghiên cứu: Đánh giá tiềm năng và phân bố tốc độ gió tại lãnh thổ Việt Nam + Khảo sát tốc độ gió và chọn độ cao cho hệ thống turbine gió trên khí cầu + Tính toán và thiết kế hệ thống khí cầu bằng các công thức cân bằng lực và khí động lực học. + Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý của các loại turbine gió, từ đó lựa chọn và thiết kế turbine gió phù hợp cho hệ thống. + Sử dụng các công thức tính toán sụt áp trên đường dây truyền tải từ hệ thống trên không đến mặt đất.
+ Từ số liệu tính toán và kiến thức để tìm ra nguyên nhân và đưa ra giải pháp để giảm tổn hao do sụt áp trên đường dây truyền tải - Về phạm vi nghiên cứu: + Đánh giá tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam ở các độ cao khác nhau. + Về turbine gió: Về turbine gió: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động; Các công thức tính toán cũng như lựa chọn thiết bị chuyển đổi của turbine gió. + Mô phỏng hoạt động của hệ thống đã thiết kế về cơ và điện thông qua SolidWork và Matlab. +Thực hiện mô hình thí nghiệm thực tế để đánh giá và nhận xét 2.
Phạm vi nghiên cứu: + Giới thiệu và giải thích nguyên lý hoạt động của hệ thống AWE. + Trình bày các đặt trung của gió và đánh giá năng lượng gió của Việt Nam. + Cấu tạo của hệ thống khí cầu. + Turbine nam châm vĩnh cửu sử dụng cho hệ thống.
+ Thiết kế hệ thống với Turbine 7,5KW và lựa chọn thiết bị cho hệ thống. + Mô phỏng hệ thống bằng SolidWorks và Matlab. + Mô hình hóa hệ thống thử nghiệm ngoài thực tế. + Đánh giá và kết luận.
3 Luan van CHƢƠNG 1 – MÔ PHỎNG 1.1 Mô phỏng hệ thống bằng tính năng Flow Simulation của Solidworks 1.1 Giới thiệu chung về Flow Simulation. Solidworks xây dựng mô hình dựa trên cách tiếp cận thành phần-tham số để tạo mô hình và lắp ráp. Các tham số có giá trị xác định hình dạng hoặc hình học của mô hình và lắp ráp. Thông số có thể là các thông số số, chẳng hạn như độ dài đoạn thẳng hoặc đường kính vòng tròn, hoặc các thông số hình học, chẳng hạn như tiếp tuyến, song song, đồng tâm, ngang hay dọc, vv… Thông số số có thể được liên kết với nhau thông qua việc sử dụng các mối quan hệ, đáp ứng theo ý định thiết kế.
Ý định thiết kế là cách tạo ra mô hình có thể chỉnh sửa và cập nhật. Chẳng hạn, bạn muốn tạo một lỗ trên mặt trên của một hình hộp chữ nhật, và vị trí cũng như các thông số hình học và kích thước của lỗ đó không thay đổi khi các thông số của hình hộp đó thay đổi. Solidworks sẽ xem lỗ như một thành phần trên mặt top của hình hộp này, sẽ “tôn trọng” ý định thiết kế này cho dù chiều cao của hình hộp có thay đổi thế nào đi nữa. Trong đó Solidworks cũng cung cấp tính năng Flow Simulation cho phép mô phỏng một cách hiệu quả chuyển động dòng chất lỏng, khí, truyền nhiệt, và các lực có tính quan trọng cho sự thành công của thiết kế.
Với đề tài thiết kế hệ thống turbine gió trên khí cầu thì việc mô phỏng, đánh giá vê mặt cơ khí sự tác động của gió lên hệ thống là một việc vô cùng quan trọng. Với tính năng Flow Simulation thì Module thiết kế sẽ được nhúng và chạy trên nền SOLIDWORKS 3D CAD, công cụ cho phép người dùng thiết kế mô phỏng dòng chất lỏng, khí, khí gas với điều kiện biên thực tế, xây dựng kịch bản “What if – Sẽ thế nào nếu như”. Từ đó có thể so sánh sự thay đổi thiết kế để đưa ra quyết định tốt hơn nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống.2 Cài đặt thông số mô phỏng hệ thống bằng Flow Simulation. Sau khi thiết kế, vẽ mô hình 3D trên SolidWorks, bắt đầu chọn Add-Ins tính năng Flow Simulation từ phần mềm Solid.
4 Luan van Hình 1.1 Add-Ins tính năng Flow Simulation vào Solid Sau đó tiến hành cài các thông số và điều kiện môi trường để mô phỏng. Tiến hành chọn mục Wizard ở bên trái cửa sổ để mở tab cài đặt.2 Cài các thông số và điều kiện môi trường vào Solid 5 Luan van Cài đặt hệ đơn vị tiêu chuẩn SI Hình 1.3 Cài đặt hệ đơn vị tiêu chuẩn SI Solid. Chọn loại chất lưu cho mô phỏng: Air Hình 1.4 Chọn loại chất lưu cho mô phỏng. 6 Luan van Cài các tham số điều kiện môi trường, ở đây giữ điều kiện môi trường từ thông số của phần mềm và Finish, kết thúc phần cài đặt điều kiện môi trường.5 Cài hướng gió và các tham số điều kiện môi trường.
Bước kế tiếp là tạo không gian kín cho mô phỏng, ở đây khi mô phỏng với tốc độ gió thì cần xây dựng một hình hộp bao quanh lấy mô hình hệ thống để giới hạn môi trường mô phỏng.6 Tạo không gian kín cho mô phỏng. 7 Luan van Chọn và cài đặt mặt “phát gió” hay Inlet Velocity, hướng phát gió và vận tốc phát gió 7m/s (tốc độ gió trung bình tại Việt Nam) Hình 1.7 Chọn và cài đặt mặt “phát gió” hay Inlet Velocity. Cài đặt miền đón gió hay hướng gió Evironment Pressure.8 Cài đặt miền đón gió, hướng gió Evironment Pressure. 8 Luan van Vào phần Goals để thêm các giá trị cần tính của mô phỏng.9 Cài đặt các giá trị cần tính của mô phỏng.
Để mô phỏng, vào Results và chọn các hướng mô phỏng, ở đây chọn mô phỏng theo mật độ cài đặt các luồng gió- Flow Trajectories.10 Chọn mô phỏng Flow Trajectories. 9 Luan van Sau khi cài đặt xong chọn Run, để phần mềm tính toán các giá trị phục vụ mô phỏng.11 Giao diện tính toán các giá trị phục vụ mô phỏng. Như vậy là hoàn thành phần cài đặt mô phỏng.3 Mô phỏng và kết quả mô phỏng Kết quả tính toán của hệ thống cho vận tốc gió trung bình trong vùng mô phỏng là 7,03m/s và nơi có tốc độ gió cao nhất là 8,8m/s Hình 1.12 Tốc độ gió trung bình trong vùng mô phỏng 10 Luan van Hình 1.13 Thông số sau khi cài đặt điều kiện mô phỏng hệ thống. Ở đây có thể thấy khi cài đặt tốc độ gió là 7m/s theo phương Z thì lực mà gió sinh ra là 141,435N và tại đó tuabin quay theo phương X sẽ nhận được lực momen xoay là 804Nm.