6. Bố cục của luận án
2.4.2. Phân tích thủy động lực học ở trạng thái di chuyển của S-AUV2
Với các thông số được thiết lập như trên sử dụng mô hình dòng chảy rối k-epsilon, các điều kiện biên phù hợp với mô hình khảo sát để bài toán đủ điều kiện hội tụ. Tác giả khảo sát sự ảnh hưởng của dòng chảy tác dụng lên thiết bị có cánh năng lượng linh hoạt trong trường hợp cánh đóng. Mục tiêu đặt ra thiết kế một S-AUV2 hoạt
54
động với vận tốc thấp, nhỏ hơn 2 m/s do đó tác giả chỉ phân tích tại các vận tốc 1 m/s và 1,5 m/s.
Hình 2.44. Trường áp suất tác dụng lên S-AUV2 tại vận tốc 1,5 m/s
Hình 2.45. Trường vận tốc xung quanh S-AUV2 tại vận tốc 1,5 m/s
55
Hình 2.47. Trường áp suất tác dụng lên S-AUV2 theo điểm tại vận tốc 1,5m/s (tiếp)
Hình 2.48. Trường vận tốc theo điểm tại vận tốc 1,5m/s
Qua các kết quả phân tích từ Hình 2.44 đến Hình 2.48 cho thấy trường áp suất và vận tốc thay đổi nhiều chủ yếu tại các điểm mũi thiết bị lặn và phần cánh lái ở đuôi S-AUV2. Dọc thân thiết bị lặn S-AUV2 ổn định do đó dự đoán lực nâng, và lực cản sẽ không có những thay đổi lớn so với loại thiết bị lặn tự hành có cánh cố định như đã phân tích ở trên. Trong nghiên cứu này tác giả đặt giả thiết cánh chỉ mở ra khi thiết bị nổi lên gần bề mặt nước và đứng yên thu năng lượng do đó tác giả không đi phân tích sâu các lực, vận tốc trong trường hợp S-AUV2 mở cánh. Mục đích khi thu năng lượng thiết bị lặn đứng yên nhằm để tối ưu về năng lượng tiêu thụ cho thiết bị lặn.
56
Hình 2.49. Biểu đồ quan hệ lực cản và vận tốc theo phương X
Hình 2.50. Biểu đồ quan hệ lực cản và vận tốc theo phương Y
57
Như vậy với giả thiết cánh chỉ mở ra khi thu năng lượng mặt trời, đóng lại khi di chuyển, tác giả phân tích thủy động lực học S-AUV2 ở trạng thái cánh đóng, cánh mở để xác định các thông số của mô hình S-AUV2 được thiết kế. Theo Hình 2.49 đến Hình 2.51 cho thấy lực và mô men đều tăng dần khi vận tốc tăng ở cả hai trường hợp. Theo đúng quy luật của phương trình lực cản. Tuy nhiên có sự chênh lệch lớn khi tăng vận tốc đến 1,5 m/s đặc biệt là lực cản theo hướng di chuyển của S-AUV2 và lực nâng. Do đó nếu S-AUV2 đóng cánh năng lượng khi di chuyển thì lực cản, lực nâng đều giảm. Do đó giảm tổn hao năng lượng cho thiết bị lặn khi di chuyển, tăng phạm vi hoạt động của thiết bị lặn tự hành.
Từ các kết quả phân tích ở trên ta có bảng so sánh về thông số thiết kế của hai mô hình S-AUV1 và mô hình S-AUV2 khi tích hợp cánh năng lượng mặt trời linh hoạt như Bảng 2.12.
Bảng 2.12. Thông số hai mô hình S-AUV1 và S-AUV2
Thông số S-AUV1 S-AUV2
Chiều dài 1690 mm 1450 mm
Đường kính 230 mm 320 mm
Diện tích pin năng lượng khi đóng 0 m2 0,27 m2 Kích thước pin năng lượng khi mở 0,45 m2 0,72 m2 Qua phân tích như Bảng 2.12 ta thấy rằng đối với mô hình S-AUV1 thì diện tích pin năng lượng khi đóng là 0 m2, đối với mô hình S-AUV2 là 0,27 m2. Như vậy ở trạng thái đóng cánh thì S-AUV1 không có khả năng thu nhận năng lượng mặt trời. Trong trường hợp mở cánh năng lượng thì với mô hình S-AUV1 thì diện tích pin năng lượng là 0,45 m2, mô hình S-AUV2 là 0,72 m2. Như vậy cả hai trường hợp đóng và mở cánh thì diện tích pin năng lượng của mô hình S-AUV2 đều lớn hơn, do đó hiệu suất thu năng lượng cũng tăng lên. Hơn nữa lực cản tại vận tốc 1,5 m/s của hai mô hình cũng có sự chênh lệch không đáng kể. Vì mô hình S-AUV2 đảm bảo hiệu quả cả về lực cản và hiệu quả diện tích pin năng lượng mặt trời gần gấp đôi trong trường hợp cánh mở, trong trường hợp cánh đóng thì chỉ có mô hình S-AUV2 mới có khả năng thu năng lượng mặt trời. Do đó tác giả chọn phương án thiết kế mô hình S-AUV2 để chế tạo thử nghiệm đánh giá khả năng thu năng lượng mặt trời tại một số vùng khu vực phía Bắc của Việt Nam.
Kết luận chương 2
Chương 2 của luận án đã xây dựng mô hình thiết bị lặn tự hành không có cánh thu năng lượng và có cánh thu năng lượng mặt trời. Từ đó phân tích lựa chọn hình dáng kết cấu của thiết bị phù hợp.
Sử dụng công cụ CFD trong phần mềm ANSYS để phân tích thử nghiệm mô hình. Đánh giá, phân tích định lượng các thông số như lực cản, lực nâng, dao động của mô hình thiết kế.
58
Từ những phân tích đó tác giả đã đề xuất và thiết kế mô hình thiết bị lặn tự hành có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1, S-AUV2. Mô hình S-AUV1 được thiết kế là dạng cánh gấp có những nhược điểm nhất định như độ cân bằng kém, diện tích cánh thu năng lượng thấp. Đối với mô hình S-AUV2 được thiết kế cánh năng lượng có khả năng đóng mở theo phương ngang cho thấy hiệu quả hơn vì có diện tích tấm pin năng lượng lớn hơn, độ ổn định về cân bằng tốt hơn. Với thiết kế cánh thu năng lượng mặt trời có thể đóng mở giúp giảm lực cản khi di chuyển, giảm tổn hao năng lượng cho thiết bị, tăng phạm vi di chuyển. Từ những phân tích về hiệu quả thu năng lượng mặt trời và phân tích về thủy động học tác giả lựa chọn mô hình S-AUV2 là mô hình chế tạo thử nghiệm khả năng thu năng lượng mặt trời sẽ được thực hiện ở Chương 3.
Xây dựng mô hình động học tổng quát thiết bị lặn có 6 bậc tự do phục vụ cho việc xây dựng mô hình S-AUV2 với 4 bậc tự do và xác định các thông số mô hình để từ đó xây dựng bộ điều khiển phù hợp với hệ thống.
59
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG LẶN NỔI VÀ THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Hệ thống lặn nổi đối với một thiết bị lặn là hết sức quan trọng, nó giúp thiết bị có thể lặn xuống những độ sâu cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Trong Chương 3 tác giả đi phân tích các hệ thống lặn nổi được sử dụng cho các thiết bị lặn nói chung, từ đó lựa chọn giải pháp lặn nổi cho thiết bị lặn S-AUV2. Để đánh giá hiệu quả mô hình S-AUV2 đã được phân tích ở Chương 2, trong chương này tác giả đi chế tạo thử nghiệm và đánh giá hiệu quả thu năng lượng của mô hình thiết bị lặn tự hành có cánh năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV2.