Trang chủ
Xu thế Công nghệ
Cây điện gió - cuộc cách mạng mới trong ngành công nghiệp Năng lượng sạch

Cây điện gió - cuộc cách mạng mới trong ngành công nghiệp Năng lượng sạch

2020-09-10 ---

Tác giả Julia Revus - Cựu kỹ sư về khí động học của công ty New wind, Paris, Pháp

Công ty New Wind đã tạo ra một nguồn năng lượng sạch phù hợp với thẩm mỹ của môi trường đô thị, đưa sự phát triển năng lượng sạch gần gũi với con người hơn bằng cách thiết kế ra một máy phát điện gió có hình dạng giống một cái cây với các cành bằng thép và lá cây bằng nhựa

Mô hình cây điện gió

Hình 1 – Mô hình cây điện gió (Wind tree)

Khi đi bộ qua khu vườn quảng trường Jardin du Luxembourg tại Paris, Jérôme Michaud-Larivière thấy rằng cây cối vẫn đang chuyển động trong không gian yên lặng. Michaud-Larivière hiểu rằng chuyển động có nghĩa là có năng lượng và nếu biết khai thác điều đó thì có thể tạo ra điện.

Ông đã nghĩ ra ý tưởng có thể xây dựng một máy phát điện năng lượng gió trên quy mô nhỏ, gần gũi với con người hơn trong các đô thị, kết hợp giữa thẩm mỹ với cảnh quan môi trường, thứ gì đó trông giống như - một cái cây?

Kết quả là công ty New Wind đã thành lập và đã thiết kế ra cây điện gió mang tên l’Arbre à Vent® với chiều cao là 10m, chiều rộng là 7.5m với thân cây và cành cây bằng thép và 63 chiếc lá bằng nhựa (gọi là Aeroleafs®). Những chiếc lá này có tác dụng thu nạp gió và chuyển năng lượng thông qua một máy phát điện và vi điều khiển ở dưới mỗi lá, một cây có khả năng sản suất ra 3kW điện hay 1900 kWh mỗi năm.

Trong suốt 3 năm nghiên cứu và phát triển Michaud-Larivière đã duy trì được sự cân bằng giữa các yêu cầu kỹ thuật và tính thẩm mỹ của dự án. Ông đã thuê một nhóm nhỏ các kỹ sư đến với New Wind để giải quyết các thách thức về kỹ thuật đồng thời tạo ra một cái nhìn sinh động hơn về những gì ông đã tưởng tượng khi đi bộ trong khu vườn.

Cấu trúc năng lượng gió đã đưa ra hàng loạt các vấn đề về kỹ thuật liên quan đến nhiều ngành kỹ thuật.

Các kỹ sư của New Wind cần phải giải quyết các vấn đề liên quan đến tải trọng gió, độ bền, máy phát điện và điều khiển. Việc sử dụng các phần mềm của ANSYS liên quan đến điện tử, chất lỏng và kết cấu đã đóng một vai trò lớn trong việc giải quyết các thách thức về tính toán đa trường.

Thiết kế cây điện gió

Có rất nhiều thách thức về kỹ thuật, mỗi chiếc lá đều phải bắt gió một cách hiệu quả nhất vì thế hình dạng và kích thước của chúng rất quan trọng. Việc xác định số lượng lá tối ưu với một cây cũng quan trọng cùng với đó là vị trí của từng lá trên cây.

Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để sắp xếp vị trí của chúng sao cho mỗi chiếc lá không làm ảnh hưởng đến khả năng bắt gió của những chiếc lá xung quanh, cùng nhau chia sẻ lượng gió thổi theo hướng bất kỳ?

Với thiết kế gồm các bộ phận nhỏ nằm bên dưới mỗi chiếc lá bao gồm các nam châm và một PCB, vì vậy khi lá xoay có thể chuyển sang điện, đồng thời đưa ra các thách thức về điện tử. Ngoài ra, việc tối ưu vận tốc xoay của lá cũng phải được điều khiển để đạt được tối đa hiệu suất khi phát điện.

Về mặt kết cấu, các lực tác động lên lá phải được tính toán để chắc chắc rằng các kết quả biến dạng chưa làm chiếc lá bị phá hủy. Ứng suất sinh ra trên toàn bộ lá khi chịu tải trọng gió được tính toán để chắc chắn rằng tổng biến dạng trên kết cấu thép bao gồm thân cây và cành cây không vượt quá mức cho phép.

Một số đặc tính kĩ thuật của "Lá cây"

Mô phỏng từ trường 3D với ANSYS Maxwell

Hình 2 - Mô phỏng từ trường 3-D với ANSYS Maxwell cho phép các kỹ sư xác định độ dày của tấm, loại nam châm, vật liệu dùng cho tấm, độ dày khoảng cách không khí và kích cỡ của nam châm cho mỗi máy phát lá cây.

Nhóm kỹ thuật đã nhận ra rằng việc sử dụng tua-bin trục đứng Savonius là lựa chọn tốt nhất.Tua-bin này thường có dạng hình trụ, với hai trục trái ngược nhau để tạo ra các miếng giống hình xoắn cong giống hình chữ S có khả năng bắt gió và quay quanh trục tạo ra mô-men xoắn. Bởi một chiếc lá hình trụ không phù hợp với thẩm mỹ, nên chúng đã được thay bởi các hình elip.

Các kỹ sư đã bắt đầu công việc thiết kế với một phần mềm mô phỏng mã nguồn mở và họ sớm nhận ra rằng thời gian chỉnh sửa phần mềm lớn hơn thực hiện mô phỏng. Cuối cùng các kỹ sư đã lựa chọn ANSYS Fluent, ANSYS Mechanical và ANSYS Maxwell để giải quyết các vấn đề về khí động học, kết cấu và điện từ mà họ phải đối mặt dựa trên kinh nghiệm học tập và chuyên môn trước đây với các giải pháp của ANSYS.

Họ đã thực hiện mô phỏng đa trường chất lỏng và kết cấu để sáng tạo ra một chiếc lá bằng nhựa tối ưu nhất và hiệu quả với toàn bộ cây gió. Kích thước lớn nhất theo bề rộng được xác định là 376mm, những chiếc lá này được làm từ loại nhựa ABS một loại nhựa gía rẻ và có sẵn.

Mô phỏng động lực học chất lỏng để xác định vị trí của lá trên cây để dòng lưu chuyển phía sau không ảnh hưởng đến lá kế tiếp và có công suất mạnh hơn

Hình 3 - Sử dụng mô phỏng động lực học chất lỏng, các kỹ sư có thể xác định vị trí của lá trên cây để dòng lưu chuyển phía sau không ảnh hưởng đến lá kế tiếp và có công suất mạnh hơn.Mô phỏng cho thấy ít ảnh hưởng từ tốc độ gió (trái) nhưng tương tác đáng kể từ áp suất tĩnh (phải)

Thiết kế này tối ưu hiệu năng bắt gió và khả năng chịu tải cao trong điều kiện gió lớn. Dựa trên các thử nghiệm, họ đã xác định được có tối đa 63 chiếc lá có thể được phân bố trên một cây.

Mô phỏng tương tác kết cấu-chất lỏng

Hình 4 - Kết cấu của tuabin gió ABS đã được kiểm tra bằng giải pháp mô phỏng tương tác kết cấu - chất lỏng ().

Nhóm động lực học đã sử dụng ANSYS Fluent để nghiên cứu luồng gió xung quanh một chiếc lá dưới các điều kiện khác nhau để xác định tính chất của dòng chảy. Về cơ bản thì việc mô phỏng này được thực hiện để xác nhận các kết quả của một thí nghiệm về hai chiếc lá trong một ống gió mà nhóm này đã thực hiện trước đó.

Cuối cùng, các kỹ sư thực hiện một mô phỏng 3D Fluent trên một chiếc lá để đo hệ số điện năng, đó là tỷ số của điện năng thực tế thu từ tua-bin gió được thiết kế đặc biệt với điện năng tối đa có thể. Đối với thiết kế lá dạng elip, hệ số điện năng là 20%. Sự tính toán của giá trị này phụ thuộc vào tỷ lệ vận tốc xoay của lá và vận tốc gió. Hai vận tốc này sẽ rất quan trọng trong việc mô tả thiết kế điện từ của cây gió.

Thực hiện mô phỏng điện từ

Mỗi lá của cây gió có một máy phát điện, bên trong mỗi máy phát có 16 nam châm trên một roto. Các nam châm di chuyển cùng với sự quay của lá với cuộn dây trên một PCB tạo ra một điện áp ba pha tỷ lệ thuận với tốc độ quay của tuabin và từ trường trong khoảng cách khe hở.

Các kỹ sư của New Wind sử dụng mô phỏng ANSYS Maxwell để thiết kế máy phát điện, bao gồm mô tả độ dày của tấm điện, loại và kích thước của các nam châm, vật liệu sử dụng cho các tấm và kích thước khe hở không khí.

Mô phỏng từ trường tĩnh 3-D đã được thực hiện để xác định từ trường trung bình trong khe hở không khí, trong khi đó mô phỏng từ trường động 3-D đã được thực hiện để dự đoán các tham số phát điện, như dòng điện cảm ứng và điện áp. Mỗi chiếc lá tạo ra một dòng điện xoay chiều được chuyển hóa thành dòng điện một chiều.

Đối với mỗi lá có một tỷ lệ tối ưu hóa giữa tốc độ quay và vận tốc gió. Để thu được năng lượng tối đa có thể là 20% từ một loại lá của New Wind điều quan trọng là lá quay với vận tốc nào để tạo ra tỷ lệ tối ưu cho tốc độ gió cụ thể.

Mô phỏng thân và nhánh cây

Ngoài việc mô phỏng tương tác giữa chất lỏng và kết cấu bằng Fluent và Mechanical trên lá nhựa để đảm bảo rằng ứng suất không vượt quá giới hạn, các kĩ sư của New Wind còn tiến hành mô phỏng kết cấu khung của cây gió. Thực hiện tính toán kết cấu tĩnh với Mechanical để xác định tải trọng tĩnh trên 63 tuabin, mô hình hóa chúng như một điểm khối lượng tập trung bằng cách gán một giá trị về khối lượng tại những vị trí được gắn trên cây.

Bằng cách phân bố khối lượng và lực của gió tác động lên từng tuabin, từ những mô phỏng này khẳng định rằng ứng suất sinh ra nằm trong giới hạn cho phép trên toàn bộ cây gió.

Mô phỏng kết cấu để kiểm tra tải trọng gió
Hình 5 - Tải trọng gió được kiểm tra bằng cách sử dụng mô phỏng kết cấu

Với sự hỗ trợ từ các giải pháp mô phỏng kỹ thuật của ANSYS Fluent, Mechanical và Maxwell, các kỹ sư của New Wind đã có thể thiết kế và dự đoán hoạt động của các tham số động lực học, kết cấu và điện từ của cây gió mà nhà sáng lập của họ chỉ có thể hình dung vài năm trước.

Cây gió đầu tiên được đặt ở Bourget vào năm 2015, và một cây đã được trưng bày tại Roland Garros, nơi diễn ra giải quần vợt hàng năm của Pháp Mở rộng, vào tháng 5 năm 2016.

Có rất nhiều đánh giá tích cực từ mọi người, một số công ty lớn và thành phố đã bày tỏ sự quan tâm đến việc mua và lắp đặt cây gió ở khắp châu Âu. Các công việc về kĩ thuật, bao gồm mô phỏng, tiếp tục nỗ lực để nâng cấp các phương diện khác của cây điện gió và giảm chi phí.