Nghiên Cứu Công Nghệ Tháp Năng Lượng Mặt Trời Tại Việt Nam

Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo đến năm 2030 đặt mục tiêu tỷ lệ điện mặt trời tăng lên. Các chuyên gia khuyến nghị chính sách hỗ trợ doanh nghiệp, hộ dân đầu tư vào năng lượng tái tạo. Cần khuyến khích nội địa hóa sản xuất để giảm giá thành. Tạ Văn Đa và cộng sự nghiên cứu khả năng khai thác năng lượng mặt trời ở miền Trung, kết luận tiềm năng lớn nhưng giá thành đầu tư và chính sách là rào cản. Theo EVN HANOI [1], Nam Trung Bộ, Tây Nguyên có số giờ nắng cao. Lợi thế này chưa được khai thác xứng tầm vì giá thành công nghệ cao.

Công nghệ tháp năng lượng mặt trời kết hợp ba yếu tố: tháp đối lưu, nhà kính và turbine gió. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc làm nóng không khí dưới mái kính, tạo dòng đối lưu mạnh mẽ lên tháp. Dòng khí này quay turbine tạo ra điện năng. Ưu điểm lớn nhất là sử dụng nguồn năng lượng tái tạo vô tận và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cao và hiệu quả phụ thuộc vào điều kiện khí hậu là những hạn chế cần được khắc phục thông qua các nghiên cứu và phát triển công nghệ.

Phân tích tương tác giữa dòng khí nóng bên trong và kết cấu thân tháp là một thách thức lớn. Áp suất và nhiệt độ không đồng đều gây ra ứng suất và biến dạng. Đồng thời, tác động của gió bên ngoài cũng ảnh hưởng đến sự ổn định của tháp. Các phương pháp truyền thống thường bỏ qua sự tương tác này hoặc đơn giản hóa quá mức, dẫn đến kết quả không chính xác. Việc sử dụng các công cụ mô phỏng số tiên tiến là cần thiết để có được cái nhìn toàn diện và chính xác về hành vi của kết cấu tháp.

ANSYS là một phần mềm mô phỏng số mạnh mẽ, có khả năng giải quyết các bài toán phức tạp về tương tác lưu chất - kết cấu. Phần mềm này cho phép mô hình hóa chi tiết các bộ phận của tháp, dòng khí bên trong và gió bên ngoài. Bằng cách sử dụng ANSYS, các kỹ sư có thể phân tích ứng suất, biến dạng, và nhiệt độ trong kết cấu tháp một cách chính xác, từ đó đưa ra các quyết định thiết kế tối ưu. ANSYS CFX phù hợp với bài toán tương tác lưu chất – nhiệt.

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) chia kết cấu thành các phần tử nhỏ, giải các phương trình vi phân trên mỗi phần tử và kết hợp kết quả để có được giải pháp tổng thể. Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) chia miền tính toán thành các thể tích kiểm soát, giải các phương trình bảo toàn trên mỗi thể tích và kết hợp kết quả. Cả hai phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của bài toán.

Phần mềm ANSYS CFX cung cấp các công cụ mạnh mẽ để xây dựng mô hình mô phỏng dòng chảy trong tháp năng lượng mặt trời. Người dùng có thể tạo mô hình hình học của tháp, định nghĩa các điều kiện biên, chọn các mô hình rối và giải các phương trình Navier-Stokes. Kết quả mô phỏng cho phép phân tích trường vận tốc, áp suất, nhiệt độ, và các thông số khác của dòng chảy. Cơ sở đánh giá tính chính xác của kết quả mô phỏng là so sánh với các kết quả đã được công bố.

Dựa trên kết quả phân tích dòng chảy, có thể xác định vị trí tối ưu để bố trí các tuabin. Vị trí tối ưu là vị trí mà dòng khí có vận tốc cao nhất và ít rối nhất. Việc bố trí tuabin ở vị trí tối ưu sẽ giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ dòng khí sang điện năng. Cơ sở để phân tích hiệu quả dòng lưu chất di chuyển trong tháp năng lượng mặt trời là dựa vào kết quả phân tích.

Mô hình Manzanares được xây dựng trong ANSYS với các thông số kỹ thuật chính như chiều cao tháp, bán kính mái nhận nhiệt, và số cánh turbine. Điều kiện biên được xác định dựa trên nhiệt độ môi trường và bức xạ mặt trời. Kết quả phân tích cho thấy sự hình thành dòng đối lưu trong tháp và sự tăng nhiệt độ của không khí khi di chuyển lên trên. Chương trình ANSYS CFX phù hợp với bài toán tương tác lưu chất – nhiệt.

Mô hình tháp Enviro Mission cao 1000m được xây dựng trong ANSYS để đánh giá hiệu suất hoạt động. Kết quả phân tích cho thấy vận tốc dòng khí tăng lên theo chiều cao tháp, đạt giá trị cao nhất ở vị trí đặt tuabin. Hiệu suất của tháp Enviro Mission cao hơn so với tháp Manzanares do chiều cao lớn hơn và diện tích mái nhận nhiệt lớn hơn.

Dòng khí nóng bên trong tháp tạo ra áp suất lên thành tháp, đặc biệt là ở khu vực gần đáy tháp nơi nhiệt độ cao nhất. Áp suất này có thể gây ra ứng suất và biến dạng cho thân tháp, làm giảm độ bền và tuổi thọ của kết cấu. Việc sử dụng vật liệu chịu nhiệt tốt và thiết kế kết cấu vững chắc là cần thiết để giảm thiểu tác động từ dòng lưu chất bên trong.

Gió bên ngoài tác động lên thân tháp, tạo ra lực cản và mômen uốn. Lực cản có thể làm rung lắc tháp, trong khi mômen uốn có thể gây ra ứng suất và biến dạng. Việc thiết kế tháp có hình dạng khí động học tốt và sử dụng hệ thống giảm chấn là cần thiết để giảm thiểu ảnh hưởng từ gió bên ngoài.

Ưu điểm chính của phương pháp phân tích được sử dụng là khả năng mô phỏng chi tiết dòng chảy và tương tác lưu chất - kết cấu. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số thiếu sót như đòi hỏi cấu hình máy tính mạnh và thời gian tính toán dài. Ngoài ra, kết quả phân tích phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình và các giả thiết được đưa ra.

Hướng phát triển tiếp theo là nghiên cứu các mô hình phức tạp hơn, xem xét các yếu tố khác như ảnh hưởng của thời tiết và môi trường. Cần có những nghiên cứu chuyên sâu hơn về vật liệu xây dựng tháp, thiết kế turbine, và hệ thống điều khiển. Nghiên cứu giá thành xây dựng trên 1KW năng lượng theo chiều cao là cần thiết.