Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV2

6. Bố cục của luận án

2.4. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV2

2.4.1. Thiết kế mô hình S-AUV2

Từ những phân tích ở mô hình S-AUV1 ở trên tác giá đã đưa ra giải pháp thiết kế mô hình S-AUV2. Mục tiêu ở trạng thái thiết bị lặn di chuyển trong nước, cánh năng lượng linh hoạt được đóng lại nhờ lực kéo của xi lanh, dẫn đến kích thước của S-AUV2 giảm do đó giảm lực cản của nước lên thiết bị lặn. Khi thu năng lượng mặt trời thiết bị lặn sẽ nổi lên sát bề mặt nước và cánh năng lượng linh hoạt mở ra như Hình 2.41, Hình 2.42 việc đóng mở cánh giúp hiệu suất thu năng lượng mặt trời tăng lên so với thiết bị lặn cùng kích thước không có cánh năng lượng linh hoạt. Do đó tác giả chỉ tập trung nghiên cứu động học thiết bị lặn tự hành S-AUV2 khi cánh năng lượng linh hoạt đóng.

Hình 2.41. Mô hình thiết bị lặn S-AUV2 khi đóng cánh

53

Các thông số mô hình S-AUV2 được thiết kế có các thông số như Bảng 2.10, điều kiện thông số đầu vào mô phỏng như Bảng 2.11.

Bảng 2.10. Thông số kích thước của mô hình S-AUV2

Thông số mô hình S-AUV2

Chiều dài 1450 mm

Chiều rộng lớn nhất khi mở cánh 800 mm Chiều rộng khi đóng cánh 320 mm Kích thước cánh năng lượng khi đóng 0,27 m2 Kích thước cánh năng lượng khi mở 0,72 m2

Bảng 2.11. Thông số và điều kiện mô phỏng

Thông số Giá trị

Mô hình dòng chảy k-ε model Chỉ số Reynolds 8.73x105 - 6.11x106

Góc tấn 0o

Vận tốc 0,5 m/s 1 m/s, 1,5 m/s

Hình 2.43. Chia lưới mô hình S-AUV2 trong môi trường ANSYS

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.

3.1. Hệ thống đảm bảo sức nổi và chế tạo thực nghiệm S-AUV2

Thân của S-AUV2 được chế tạo bằng các ống nhựa PVC và các khung giá đỡ giúp liên kết và cố định các thành phần cơ khí, điện, hệ thống thiết bị đẩy, pin hoặc camera, cảm biến, đèn chiếu sáng ,... Các ống nhựa dầy 4 mm chịu được áp suất cao được chọn trong nghiên cứu này vừa là khay chứa pin, mạch sạc vừa làm hệ thống đảm bảo sức nổi cho S-AUV2. Nói chung vật liệu được sử dụng để chế tạo thân thiết bị lặn được chọn sao cho có độ bền lớn, trọng lượng nhỏ nhất vì trọng lượng có liên quan đến sức nổi, mà sức nổi là một trong những vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế các loại thiết bị lặn cỡ nhỏ. Các kích thước và hình khối được chọn dựa trên các tiêu chí sau: Trọng lượng của thiết bị lặn trong không khí, thể tích của các thiết bị đặt trên nó. Các ống nhựa PVC được bịt kín hai đầu và có rắc cắm kết nối nguồn và dây tín hiệu.

Hệ thống đảm bảo sức nổi của một thiết bị lặn tự hành là một hệ thống rất quan trọng vì nó đảm bảo sức nổi, đảm bảo độ ổn định cho thiết bị lặn. Thiết bị lặn tự hành được thiết kế sao cho tâm nổi ở trên cao, trọng tâm ở thấp để thiết bị lặn hoạt động ổn định theo hướng trục thẳng đứng và trục ngang nhằm ổn định hướng cho thiết bị lặn. Chức năng của hệ thống tạo sức nổi ban đầu là chống lại tác động của sức nổi âm của các vật liệu nặng hơn nước trên thiết bị lặn (khung, động cơ, cảm biến, pin, mạch điều khiển v.v…). Mục tiêu hầu hết khi thiết kế các loại thiết bị lặn cỡ nhỏ là đạt được sức nổi gần bằng không. Việc tính toán thiết bị tạo sức nổi dựa trên cơ sở cân bằng giữa độ lớn lực đẩy Acsimet và trọng lượng của S-AUV2.

Độ lớn sức nổi của S-AUV2 được tính như sau: 2

A S AUV

W F P (3.1) Trong đó :

FA:độ lớn lực đẩy Acsimet, N

PS AUV 2 :trọng lượng của S-AUV2, N

60

Theo như tính toán sơ bộ cộng thêm các thành phần như: Hộp chứa mạch đồng thời là hộp tạo sức nổi, mạch điều khiển, động cơ đẩy, dây điện, vành bao chân vịt thì khối lượng của S-AUV2 trong khoảng 18,5 kg. Nên việc chọn hệ thống tạo sức nổi phải làm sao để sức nổi lớn hơn hoặc bằng 185 N.

Lựa chọn thiết kế bộ phận tạo sức nổi và chứa mạch cho thiết bị lặn S-AUV2 có hình dạng như Hình 3.2.

Hình 3.2. Bộ phận tạo sức nổi

Thông số hệ thống tạo sức nổi gồm: 2 ống hình trụ nhựa PVC Ф110mm, dầy 4 mm, dài 900 mm, chịu áp lực tối đa 6 bar, vậy ống có khả năng chịu độ sâu dưới nước tương đương 60 m.

Trong đó lực đẩy Acsimet tác dụng lên S-AUV2 bao gồm lực tác dụng lên hệ thống tạo sức nổi và các thiết bị khác được tính gần đúng như sau:

.

A

F  V (3.2) Ta có trọng lượng riêng của nước là : γ = 10.000 N/m³

Thể tích chiếm chỗ chất lỏng của S-AUV2 được xác định bằng biểu thức sau: V 2Vong Vphu (3.3) Thể tích ống:

Vong .r h2. (3.4) r: Bán kính của ống (bán kính của bán cầu), m

h: Chiều dài của ống, m Thể tích các thành phần phụ

phu dau khac duoi

V V V V (3.5) Trong đó Vphu chiếm một phần nhỏ và tính sơ bộ 3

0, 0018

phu

61 Thay số ta có: 2 3 3,14.(0,055) .0,9 0,00855 ong V   m

Thay vào biểu thứ (3.3) ta có

3

2.0,00855 0,0018 0,0188

V    m

Giá trị của lực đẩy Ascsimet tác dụng lên S-AUV2 như sau: 0, 0188.10000 188

A

F   N

Như vậy lực đẩy Acsimet tương đương với một lực là 188 N, yêu cầu đặt ra là tổng độ lớn trọng lượng của S-AUV2 sau khi hoàn thiện phải nhỏ hơn và sấp xỉ bằng trọng lượng của S-AUV2 để bảo bảo sức nổi dương.

Ta có độ lớn trọng lượng của S-AUV2 là: PS AUV 2 18,5.10 185 N

Như vậy ta có sức nổi của S-AUV2 là: W FA PS AUV 2 188 185 3  N

Như vậy đảm bảo sức nổi của S-AUV2 luôn dương, do đó ở trạng thái bình thường trong nước S-AUV2 nổi lơ lửng trên bề mặt nước. Với độ lệch giữa lực đẩy Acsimet và trọng lượng của S-AUV2 là 3 N thì việc tạo ra lực để lặn sẽ dễ dàng hơn. Chúng ta chỉ cần tạo khoang khí có thể thay đổi thể tích để làm lực đẩy Acsimet giảm một giá trị lớn hơn 3 N sẽ làm S-AUV2 bắt đầu lặn xuống.

Hình 3.3. S-AUV2 sau khi được chế tạo

Sức nổi của S-AUV2 vẫn đảm bảo dương, độ lớn 3 N không đáng kể. Như vậy việc lựa chọn hệ thống phao nổi đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra khi thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị lặn S-AUV2.

3.2. Hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn

3.2.1. Lý thuyết hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn

Định luật Acsimet: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang

62

chiếm chỗ. Về cơ bản, có 2 cách để làm thiết bị lặn xuống: lặn động lực (DD) và lặn tĩnh lực (SD). Có nhiều thiết bị lặn sử dụng phương pháp động lực trong khi lặn tĩnh lực được sử dụng bởi tất cả tàu ngầm, thiết bị ngầm quân sự.

Đối với các loại thiết bị lặn mini hầu hết sử dụng phương pháp lặn động lực. Thiết bị lặn loại động lực là những thiết bị mà vốn đã có sẵn tính nổi, chúng luôn có khả năng tự nổi. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp lặn tĩnh lực. Loại S-AUV2 được thiết kế lặn theo phương pháp sử dụng bơm nước piston để thay đổi khoang chứa không khí trên thân thiết bị từ đó thay đổi độ lớn của lực nổi, khi lực nổi âm thì thiết bị lặn sẽ bắt đầu lặn xuống.

Nếu phần nổi dương quá lớn sẽ cần một công suất lặn lớn, chính vì vậy yêu cầu lý tưởng nhất là lực nổi gần bằng không khi đã được bơm hết nước khỏi bể chứa. Nghĩa là độ lớn lực đẩy Acsimet cân bằng với độ lớn trọng lượng của thiết bị lặn

2

A S AUV

F P khi ở trạng thái hệ thống lặn không hoạt động.

- Lực đẩy Acsimet : FA .V (3.6) Trong đó:

γ - trọng lượng riêng của nước, N/m³

V - Thể tích chiếm chỗ của S-AUV2 trong nước, m³

- Trọng lượng của S-AUV2:

2 .

S AUV

P m g (3.7) Trong đó:

m: Khối lượng của S-AUV2, kg g: Gia tốc trọng trường, m s/ 2

Trong luận án thiết kế chế tạo S-AUV2 làm sao để độ lớnFAPS AUV 2, trong thực tế rất khó để làm giá trị độ lớn của hai lực này tuyệt đối bằng nhau, tuy nhiên có thể cân bằng lực để giá trị độ lớn về trạng thái FAPS AUV 2bằng phương pháp bổ sung thêm khối lượng. Ở trên đã tính toán độ lệch giữa lực đẩy Acsimet và trọng