Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1

6. Bố cục của luận án

2.3. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1

Từ những phân tích trên cho thấy nếu tích hợp cánh năng lượng cốđịnh sẽ làm lực cản tăng lên, tổn hao năng lượng nhiều hơn. Do đó tác giảđã đưa ra ý tưởng thiết kế

0 50 100 150 200 250 300 350 0 1 2 3 4 5 6 M o men t (N .m) Vận tốc (m/s) My - v AUV SAUV

48

thiết bị lặn tự hành có cánh năng lượng linh hoạt, có thể đóng mở được. Mô hình được xây dựng bằng phần mềm Solidwoks. Thiết bị lặn tự hành tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời có cánh thu năng lượng linh hoạt và được mởra đóng vào bởi xy lanh, cánh thu năng lượng luôn đóng và chỉ mở ra khi có nắng do được tích hợp bộ vi xửlý xác định thời gian thực nên nhận biết được ngày đêm. Xây dựng mô hình S-AUV1 là loại hình dáng nón - trụ - nón có cánh năng lượng gấp với thông số như Bảng 2.8 dưới đây.

Bảng 2.8. Thông sốđiều kiện mô phỏng

Thông số Giá trị

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

Góc tấn 0o

49

Bảng 2.9. Bảng thông số mô hình S-AUV1

Thông số Giá trị

Chiều dài 1690 mm

Đường kính 230 mm

Diện tích cánh năng lượng khi đóng 0 m2

Diện tích cánh nănglượng 0,5 m2

2.3.2. Phân tích thủy động học mô hình S-AUV1

Ta đi tiến hành phân tích thuỷđộng học mô hình S-AUV1 trong môi trường mô phỏng số ANSYS CFD. Các kết quảthu được từHình 2.28 đến Hình 2.37.

Hình 2.28. Trường vận tốc khi S-AUV1

đóng cánh

Hình 2.29. Trường vận tốc khi S-AUV1 mở cánh

Hình 2.30. Trường vận tốc khi S-AUV1

đóng cánh

Hình 2.31. Trường vận tốc khi S-AUV1 mở cánh

50

Hình 2.32. Trường vận tốc khi S-AUV1

đóng cánh

Hình 2.33. Trường vận tốc khi S-AUV1 mở cánh Hình 2.34. Trường áp suất tĩnh khi S- AUV1 đóng cánh Hình 2.35. Trường áp suất tĩnh khi S- AUV1 mở cánh Hình 2.36. Trường áp suất động khi S-AUV1 đóng cánh Hình 2.37. Trường áp suất động khi S- AUV1 mở cánh

51

Hình 2.38. Biểu đồ quan hệ Fx-v của mô hình S-AUV1

Hình 2.39. Biểu đồ quan hệ Fy-v của mô hình S-AUV1

Hình 2.40. Biểu đồ quan hệ Fz-v của mô hình S-AUV1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 1 2 3 4 5 6 Lực cả n (N ) Vận tốc S-AUV1 (m/s) Fx-v Đóng cánh Mở cánh 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 Lực cả n (N ) Vận tốc S-AUV1 (m/s) Fy-v Đóng cánh Mở cánh 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 Lực cả n (N ) Vận tốc S-AUV1 (m/s) Fz-v Đóng cánh Mở cánh

52

Trong trường hợp S-AUV1 mở cánh, áp suất thay đổi nhiều ở đầu S-AUV1, đầu và đuôi của cánh năng lượng mặt trời. Áp suất tác động lên S-AUV1 theo hướng chuyển động và hướng lên trên sẽtăng lên sau khi kết hợp thêm các cánh năng lượng mặt trời được thể hiện trong Hình 2.38 đến Hình 2.40. Phương án thiết kế này sẽ gặp khó khăn trong việc chế tạo, khó cân bằng cho thiết bị lặn và diện tích pin năng lượng mặt trời còn hạn chế, lực cản tương đối lớn do phần cánh chưa thực sự tối ưu. Và chỉ thu năng lượng mặt trời khi mởcánh năng lượng. Từphân tích đó tác giảđề xuất xây dựng mô hình S-AUV2.

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 2.4.1. Thiết kế mô hình S-AUV2

Từ những phân tích ở mô hình S-AUV1 ởtrên 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 sốnhư Bảng 2.10, điều kiện thông sốđầu vào mô phỏng như Bảng 2.11.

Bảng 2.10. Thông sốkích 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 sốvà 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 sốđược 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 đủđiều kiện hội tụ. Tác giả khảo sát sựảnh 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, nhỏhơn 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 dựđoán 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 giảđặt giả thiết cánh chỉ mở ra khi thiết bị nổi lên gần bề mặt nước và đứng yên thu năng lượng do đó tác giảkhông 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 vềnăng 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 mởra 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 tăngở cảhai 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 cảhai 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 khảnăng 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 khảnăng 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. Từđó 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 sốnhư 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 khảnăng đóng mởtheo phương ngang cho thấy hiệu quảhơn 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 thểđóng 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 khảnăngthu năng lượng mặt trời sẽđược 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 tựdo và xác định các thông số mô hình để từ đó xây dựng bộđiều khiển phù hợp với hệ thống.

59

CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG LẶN NỔI VÀ THỰC NGHIỆM KHẢNĂNG 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 giảđi 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 ởChương 2, trong chương này tác giả đi chế tạo thử nghiệm và đánh giá hiệu quảthu năng lượng của mô hình thiết bị lặn tựhành 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 cốđịnh 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 bịđặt 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 độổn 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 nhỏlà 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 khảnăng 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

VphuVdauVkhacVduoi (3.5)

Trong đó Vphu chiếm một phần nhỏvà tính sơ bộ 3