Nghiên cứu tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời

Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu phương pháp số phân tích bài toán lưu chất và bài toán trường cặp đôi lưu chất - kết cấu và sử dụng các phương pháp này để phân tích cho

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu,

và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các tạp chí khoa học và công trình nào khác

Các thông tin số liệu trong luận văn này đều có nguồn gốc và được ghi chú rõ ràng./

Tác giả

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Văn Khiêm

LỜI CẢM ƠN

Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An, được sự hỗ trợ, giúp đỡ và tạo điều kiện từ nhiều cơ quan, tổ chức và cá nhân Luận văn của tôi cũng được hoàn thành dựa trên sự tham khảo, học tập kinh nghiệm từ các kết quả nghiên cứu liên quan, các tạp chí chuyên ngành của nhiều tác giả

ở các trường Đại học, các tổ chức nghiên cứu, tổ chức chính trị…Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các phòng, khoa thuộc Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An và các Giáo sư, P Giáo sư, Tiến sĩ đã nhiệt tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm Luận văn Đặc biệt, tôi xin bày

tỏ lòng biết ơn và lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Trương Tích Thiện, người thầy

đã trực tiếp hướng dẫn khoa học đã luôn dành thời gian, công sức để cập nhật thêm kiến thức, cung cấp tài liệu và phương pháp luận trong suốt quá trình thực hiện đề tài

để tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Ban lãnh đạo nhà trường; các Anh chị Cán bộ quản lý, giáo viên, nhân viên, cùng bạn bè, đồng nghiệp đã luôn ở bên cạnh tôi ủng hộ, giúp đỡ tôi có thời gian nghiên cứu đề tài và hết lòng hỗ trợ tôi về mặt tinh thần, tạo điều kiện tốt nhất để tôi nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Do điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù đã cố gắng hoàn thiện đề tài qua tham khảo tài liệu, trao đổi và tiếp thu ý kiến đóng góp nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy tôi kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong hội đồng khoa học, những người quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn./

Tác giả

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Văn Khiêm

TÓM TẮT

Việt Nam có rất nhiều thuận lợi để khai thác năng lượng mặt trời (NLMT) khi

có lượng ánh sáng mặt trời trung bình hàng năm dao động từ 4,3 đến 5,7 triệu kWh/m2

Do đó,chúng ta cần có nhiều nghiên cứu về công nghệ để khai thác được tiềm năng to lớn này Tháp NLMT là công nghệ được sử dụng phổ biến trên Thế giới để khai thác NLMT Tháp hoạt động dựa trên sự kết hợp từ hiệu ứng của 03 công nghệ: tháp đối lưu, nhà kính và turbine gió Tháp NLMT có rất nhiều ưu điểm nhưng với kết cấu thân tháp quá lớn, tiếp xúc với cả lưu chất bên trong và bên ngoài tháp, đòi hỏi quá trình phân tích kết cấu phải chính xác Với các bài toán đa môi trường phức tạp như bài toán tương tác lưu chất - kết cấu, giải pháp chủ yếu là sử dụng các chương trình tính toán số gần đúng hoặc phải thực nghiệm Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu phương pháp số phân tích bài toán lưu chất và bài toán trường cặp đôi lưu chất - kết cấu và sử dụng các phương pháp này để phân tích cho hai mô hình tháp NLMT với 4 bài toán được thực hiện thông qua chương trình ANSYS Các kết quả sơ bộ của luận văn khá phù hợp với thực tế và có sai số bé khi so sánh với kết quả của các nghiên cứu trước

ABSTRACT

VietNam has many advantages to exploit solar energywhen the average annual amount of sunlight ranges from 4.3 to 5.7 million kWh/m2 Therefore, we need a lot of research to exploit this great potential Solar energy tower is a technology commonly used in the world to exploit solar energy The tower works based on a combination of the effects of three technologies: convection towers, greenhouses and wind turbines Solar energy towers have many advantages but with the too large tower structure, contacting to both internal and external fluid, requiring strict structural analysis With complex multi-environment problems such as fluid-structure interaction problem, the solution is mainly to use numerical method In thethesis, the author focuses on studying numerical methods to analyze fluid problem and fluid-structure coupling field problem and uses these methods to analyze for two solar power tower models with 4 problemsis analyzedbased on the ANSYS program The preliminary results of the thesis are quite consistent with reality and have small errors compared to the results of previous studies

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN   ii 

TÓM TẮT   iii 

ABSTRACT   iv 

MỤC LỤC   v 

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT  viii 

DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH   viii 

DANH MỤC BẢNG BIỂU   ix 

DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ   x 

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI  1 

1.1 Tính cần thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.2.1 Mục tiêu chung 2

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Câu hỏi nghiên cứu 5

1.6 Phương pháp nghiên cứu 5

1.7 Tổng quan các công trình nghiên cứu trước 5

1.7.1 Các nghiên cứu trong nước: 5

1.7.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài 6

CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT  8 

2.1 Công nghệ tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời 8

2.1.1 Nguyên lí hoạt động 9

2.1.2 Những ưu và khuyết điểm từ hệ thống tháp đối lưu nhờ năng lượng mặt trời 10

2.2 Lý thuyết tổng quan bài toán trường cặp đôi lưu chất – kết cấu 11

2.2.1 Các thông số cơ bản của lưu chất 11

2.2.2 Phương pháp thể tích kiểm soát – Đạo hàm toàn phần của một tích phân khối 15

2.2.3 Phương trình liên tục 17

2.2.4 Phương trình chuyển động của lưu chất lý tưởng (Phương trình Euler) 18

2.2.5 Phương trình chuyển động của lưu chất thực (Phương trình Navier – Stockes) 20

2.2.6 Phương trình động lượng 23

2.3 Lý thuyết phương pháp số 25

2.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn [5] 25

2.3.2 Phương pháp thể tích hữu hạn 26

2.3.3 Kết luận 33

CHƯƠNG 3.MÔ PHỎNG DÒNG LƯU CHẤT TRONG MÔ HÌNH THÁP SOLAR CHIMNEY   

   34 

3.1 Mô hình tháp Manzanares 34

3.1.1 Mô hình bài toán 34

3.1.2 Mô hình thể tích hữu hạn trong ANSYS 35

3.1.3 Điều kiện biên 37

3.1.4 Kết quả phân tích 38

3.1.5 Kết luận 41

3.2 Mô hình tháp Enviro Mission 41

3.2.1 Mô hình bài toán 41

3.2.2 Mô hình thể tích hữu hạn của khối lưu chất trong ANSYS 43

3.2.3 Điều kiện biên 44

3.2.4 Kết quả phân tích 45

3.3 Phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất bên trong đến kết cấu thân tháp 47

3.3.1 Phương pháp phân tích 47

3.3.2 Mô hình bài toán 47

3.3.3 Điều kiện biên và lực tác động từ lưu chất bên trong 48

3.3.4 Kết quả phân tích 49

3.4 Phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất bên ngoài đến kết cấu thân tháp 50

3.4.1 Mô hình bài toán trong ANSYS 50

3.4.2 Điều kiện biên mô hình bài toán: 50

3.4.3 Kết quả mô phỏng dòng lưu chất bên ngoài: 52

CHƯƠNG 4.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN   53 

4.1 Kết luận 53

4.1.1 Những ưu điểm chính của luận văn 53

4.1.2 Những thiếu sót chính của luận văn 54

4.2 Hướng phát triển 54

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO   55 

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT

STT TỪ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ

DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH

STT TỪ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Những thông số kỹ thuật chính của mô hình

DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ

Hình 1.1 (a) - Tháp Solar Tower 194.60m (Manazares – Tây Ban Nha) 4 

Hình 2.1 Tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời (Mô hình thực tế tại Manzanares - Tây Ban Nha) [4] 8 

Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động tháp năng lượng mặt trời [6] 9 

Hình 2.3 Bộ phận hấp thu năng lượng mặt trời thành hệ thống nhà kính 10 

Hình 2.4 Sự phân bố vận tốc tại lớp biên sát thành cứng 14 

Hình 2.5 Thể tích kiểm soát 15 

Hình 2.6 Phân tố lưu chất 19 

Hình 2.7 Phân tố lưu chất thực 22 

Hình 2.8 Đoạn dòng chảy giới hạn 24 

Hình 2.9 Cách thức chia lưới có cấu trúc (trong bài toán 2 chiều): (a) không gian vật lý thực tế (b) không gian tính toán; η, ξ thể hiện tọa độ cong 28 

Hình 2.10 Hình dạng các ô lưới của phương pháp chia lưới có cấu trúc 28 

Hình 2.11 Hình dạng lưới có cấu trúc, đa khối đối với miền khảo sát có hình dạng phức tạp; Các đường in đậm là đường biên của các khối 29 

Hình 2.12 Lưới không có cấu trúc và hỗn hợp 30 

Hình 2.13 Các hình dạng ô lưới sử dụng trong phương pháp chia lưới không có cấu trúc 31 

Hình 2.14 Phương pháp thể tích hữu hạn 32 

Hình 3.1 Tháp Solar Tower 194.60m (Manazares – Tây Ban Nha) 35 

Hình 3.2 Mô hình tháp trong ANSYS: (a)-Mô hình đầy đủ của tháp; (b)-Mô hình 1/64 tháp 36 

Hình 3.3.Mô hình lưới trong ANSYS: (a)-Mô hình lưới phần tháp; (b)-Mô hình lưới phần đế; (c) mô hình lưới inflation cho lớp biên 36 

Hình 3.4 Điều kiện biên bài toán trong môi trường CFX 37 

Hình 3.5 Trường vận tốc khối lưu chất trong mô hình ½ tháp 38 

Hình 3.6 Biểu đồ vận tốc thay đổi theo chiều cao tháp (tính theo đường dòng sát lớp

biên) 39 

Hình 3.7 Kết quả phân bố nhiệt độ (kết quả 1/4 mô hình) 40 

Hình 3.8 Biểu đồ nhiệt theo độ cao 40 

Hình 3.9 Giá thành xây dựng trên 1KW năng lượng theo chiều cao (theo Solar Tower Conference – Germany 2010) 41 

Hình 3.10 Tháp Enviro Mission cao 1000m 42 

Hình 3.11 Mô hình tháp 1000m xây dựng trong môi trường Ansys 43 

Hình 3.12 Mô hình lưới thể tích hữu hạn khối lưu chất bên trong tháp 44 

Hình 3.13 Điều kiện biên bài toán trong môi trường CFX 45 

Hình 3.14 Trường vận tốc khối lưu chất trong mô hình ½ tháp 46 

Hình 3.15 Biểu đồ vận tốc thay đổi theo chiều cao tháp (tính theo đường dòng sát lớp biên) 46 

Hình 3.16 Mô hình thân tháp trong ANSYS 47 

Hình 3.17 Điều kiện biên và áp lực của dòng khí bên trong sau khi được chuyển vào bài toán tĩnh học 48 

Hình 3.18 Kết quả ứng suất và biến dạng của thân tháp chịu tác dụng áp suất của dòng khí bên trong 49 

Hình 3.19 Mô hình tháp và khối không khí xung quanh tháp 50 

Hình 3.20 Điều kiện biên và tải trọng bản thân tháp 51 

Hình 3.21 Trường áp suất của dòng khí bên ngoài tác dụng lên thân tháp 51 

Hình 3.22 Kết quả trường ứng suất – biến dạng trong thân tháp 52 

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cần thiết của đề tài

Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận và thân thiện với môi trường Theo Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam (VN) đến năm 2030, tỷ lệ thâm nhập của điện mặt trời được dự kiến đạt 0,5%, 6% và 20% vào các năm 2020,

2030 và 2050 Để đạt được mục tiêu chiến lược đề ra, nhiều chuyên gia đã kiến nghị Chính phủ và các Bộ, ngành cần xây dựng chính sách hỗ trợ vay vốn cho các doanh nghiệp, hộ dân đầu tư sản xuất và sử dụng các phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời; đặc biệt khuyến khích tăng tỷ lệ “nội địa hóa” trong sản xuất để có giá thành rẻ hơn nữa Cùng với đó là sớm ban hành bộ tiêu chuẩn cho các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời, công bố quy hoạch phát triển điện năng lượng mặt trời và công bố giá mua - bán điện năng lượng mặt trời hợp lý [1] … Do đó, chủ đề nghiên cứu về năng lượng mặt trời thu hút sự quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu Tạ Văn Đa, Hoàng Xuân Cơ, Đinh Mạnh Cường [2] cùng các đồng sự đã thực hiện nghiên cứu về khả năng khai thác năng lượng mặt trời phục vụ các hoạt động đời sống ở miền Trung Việt Nam Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đi đến kết luận là tiềm năng ứng dụng năng lượng mặt trời tại khu vực miền Trung là rất lớn Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của việc khai thác NLMT là giá thành đầu tư và cơ chế chính sách của nhà nước…

Trên Thế giới đã phát triển nhiều công nghệ hiện đại để tận dụng nguồn năng lượng sạch từ mặt trời Tuy nghiên, cần có nhiều nghiên cứu về các công nghệ này để lựa chọn những công nghệ nào phù hợp với vị trí địa lý và khí hậu Việt Nam Theo các chuyên gia, Việt Nam có nhiều thuận lợi vì là một trong những quốc gia có lượng ánh sáng mặt trời cao trong bản đồ bức xạ mặt trời Thế giới với trung bình dao động từ 4,3 đến 5,7 triệu kWh/m2 Theo Tổng công ty Điện lực Hà Nội (EVN HANOI) [1], ở các tỉnh Nam Trung Bộ, Tây Nguyên có số giờ nắng khá cao, từ 2.000 đến 2.600 giờ/năm Lợi thế là vậy, nhưng việc khai thác nguồn NLMT ở Việt Nam cho đến thời điểm này

là chưa tương xứng với tiềm năng Nguyên nhân chủ yếu là do giá thành của công nghệ khai thác quá cao dẫn tới giá thành điện năng cao Do đó, cần có những nghiên cứu về

các công nghệ khai thác NLMT để giảm giá thành và phù hợp với điều kiện tự nhiên của Việt Nam Với các bài toán đa môi trường phức tạp như bài toán tương tác lưu chất – kết cấu, việc áp dụng phương pháp giải tích gần như là không thể, giải pháp chủ yếu

là thực nghiệm hoặc sử dụng các chương trình tính toán số gần đúng Tuy nhiên, để thực nghiệm ta phải tốn chi phí cao và khá nhiều thời gian Do đó, giải pháp ứng dụng các chương trình tính toán số hiện đại phân tích các bài toán trường cặp đôi như bài toán của luận văn có tính thực tiễn cao Trên cơ sở này, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu về tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời Do là luận văn thạc sĩ, nên tác giả chỉ thực hiện nghiên cứu giải bài toán trường cặp đôi lưu chất - kết cấu trong quá trình tháp vận hành dựa trên chương trình tính toán số hiện đại ANSYS

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu chung

Phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất bên trong kết cấu tháp dưới tác động của nhiệt, qua đó phân tích trường vận tốc lưu chất để đánh giá vị trí tối ưu để bố trí các tuabin

Trong kết cấu tháp NLMT, phần thân tháp thường có chiều cao lớn, do đó ảnh hưởng của dòng lưu chất bên ngoài đến khả năng làm việc ổn định của tháp cũng cần phân tích và đánh giá

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

Mục tiêu (1) Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của tháp NLMT

Mục tiêu (2) Tìm hiểu lý thuyết tính toán các bài toán trường cặp đôi lưu chất - kết cấu, nhiệt - lưu chất

- Mục tiêu (2.1) Phân tích dòng chảy lưu chất trong tháp dưới tác động của nhiệt tĩnh

- Mục tiêu (2.2) Phân tích dòng chảy lưu chất trong tháp dưới tác động của nhiệt theo thời gian

Mục tiêu (2.3) Phân tích hiệu quả dòng chảy, từ đó đề xuất vị trí tối ưu bố trí các tuabin

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Dòng lưu chất bên trong kết cấu tháp NLMT và sự tương tác giữa dòng lưu chất bên ngoài với kết cấu tháp NLMT.Công nghệ này chưa phổ biến ở trong nước nên học viên cùng Thầy hướng dẫn không tìm được mô hình tính toán thực tế Do đó, học viên

và Thầy hướng dẫn chọn mô hình tính toán là mô hình tháp Manzanares (hình 1.1b) Đây là mô hình học viên tìm được từ các tài liệu tham khảo và có tương đối đầy đủ các

số liệu cần thiết cho quá trình tính toán mô phỏng

Bảng 1.1 Những thông số kỹ thuật chính của mô hình tháp tại Manzanares

(a) (b)

Hình 1.1 (a) - Tháp Solar Tower 195m (Manazares – Tây Ban Nha)

(b) - Tháp Enviro Mission cao 1000m

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Tháp năng lượng mặt trời là hệ thống tạo năng lượng điện được kết hợp từ hiệu ứng của ba công nghệ: tháp đối lưu, nhà kính và turbine gió Nguyên lý hoạt động của tháp rất phức tạp, vừa có lưu chất chuyển động trong thân tháp, vừa có lưu chất tác động bên ngoài tháp Trong quá trình tính toán thiết kế, thường chúng ta chỉ quan tâm đến đối tượng là kết cấu thân tháp, sự tương tác giữa kết cấu tháp với các khối lưu chất được quy đổi thành tải tác động hoặc điều kiện biên Tuy nhiên, việc quy đổi này làm giảm độ chính xác của kết quả tính toán Với phương pháp phân tích trường cặp đôi kết hợp với chương trình tính toán phần tử hữu hạn mạnh mẽ ANSYS, chúng ta có thể phân tích sự tương tác giữa lưu chất và kết cấu tháp một cách trực tiếp Luận văn tập trung mô phỏng bài toán đối lưu nhiệt của luồng lưu chất trong tháp năng lượng mặt trời

Trong phạm vi luận văn này, người thực hiện chỉ xét đến lưu chất không nén được, tức là khối lượng riêng phụ thuộc rất ít vào áp suất và nhiệt độ, ngoài ra, vận tốc khối lưu chất được xét là nhỏ (số Mach < 0,3)

1.5 Câu hỏi nghiên cứu

- Chương trình ANSYS CFX có phù hợp với bài toán tương tác lưu chất – nhiệt

- Cơ sở đánh giá tính chính xác của kết quả mô phỏng

- Cơ sở để phân tích hiệu quả dòng lưu chất di chuyển trong tháp năng lượng mặt trời

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng bài toán trường cặp đội lưu chất - kết cấu đã được công bố bởi các nhà khoa học để so sánh kết quả Từ đó rút ra phương pháp đúng để giải bài toán thực tế của luận văn Các phương pháp tính toán được sử dụng trong luận văn: Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH - FEM) và phương pháp thể tích hữu hạn (PP TTHH - FVM)

1.7 Tổng quan các công trình nghiên cứu trước

1.7.1 Các nghiên cứu trong nước:

Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận và thân thiện với môi trường Theo Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tỷ lệ thâm nhập của điện mặt trời được dự kiến đạt 0,5%, 6% và 20% vào các năm 2020, 2030 và

2050 Để đạt được mục tiêu chiến lược đề ra, nhiều chuyên gia đã kiến nghị Chính phủ

và các Bộ, ngành cần xây dựng chính sách hỗ trợ vay vốn cho các doanh nghiệp, hộ dân đầu tư sản xuất và sử dụng các phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời; đặc biệt khuyến khích tăng tỷ lệ “nội địa hóa” trong sản xuất để

có giá thành rẻ hơn nữa Cùng với đó là sớm ban hành bộ tiêu chuẩn cho các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời, công bố quy hoạch phát triển điện năng lượng mặt trời và công bố giá mua - bán điện năng lượng mặt trời hợp lý [3] … Do đó, chủ đề nghiên

cứu về năng lượng mặt trời thu hút sự quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu Tạ Văn Đa, Hoàng Xuân Cơ, Đinh Mạnh Cường [4] cùng các đồng sự đã thực hiện nghiên cứu về khả năng khai thác năng lượng mặt trời phục vụ các hoạt động đời sống ở miền Trung Việt Nam Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đi đến kết luận là tiềm năng ứng dụng năng lượng mặt trời tại khu vực miền Trung là rất lớn Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của việc khai thác NLMT là giá thành đầu tư và cơ chế chính sách của nhà nước…

1.7.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Trong những loại năng lượng mới thì năng lượng mặt trời có trữ năng vô cùng

to lớn mà con người cần nghiên cứu khai thác, trên Thế giới hiện nay đã có nhiều phát minh để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện như tấm pin mặt trời, tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời

Tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời được mô tả vào năm 1931 bởi Gunther, sau đó vào những năm 1983, 1984 Haaf đưa ra những kết quả kiểm tra và nguyên lý mô hình tháp ở Manzanares, Tây Ban Nha Đến năm 1990, Schlaich tổng hợp những kết quả đạt được từ thí nghiệm ở Manzanares và sau đó 5 năm ông đưa ra cái nhìn khái quát về công nghệ này Năm 1997, Kreetz thêm vào hệ thống những túi chứa đầy nước nằm dưới máy thu nhiệt nhằm mục đích dự trữ nhiệt lượng Gannon và Backstrom vào năm 2000 đã giới thiệu phân tích quá trình nhiệt động lực học của tháp mặt trời, bên cạnh đó các ông này còn phân tích về những tính chất của turbine sử dụng trong hệ thống này vào năm 2003 Ruprecht và cộng sự đưa ra kết quả tính toán động học lưu chất và thiết kế turbine cho loại tháp có công suất 200MW

Hình 2 Tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời (Mô hình thực tế tại

Manzanares - Tây Ban Nha)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Công nghệ tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời

Theo Wiki [3], tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời được mô tả vào năm

1931 bởi Gunther, sau đó vào những năm 1983, 1984 Haaf đưa ra những kết quả kiểm tra và nguyên lý mô hình tháp ở Manzanares, Tây Ban Nha Đến năm 1990, Schlaich tổng hợp những kết quả đạt được từ thí nghiệm ở Manzanares và sau đó 5 năm ông đưa

ra cái nhìn khái quát về công nghệ này Năm 1997, Kreetz thêm vào hệ thống những túi chứa đầy nước nằm dưới máy thu nhiệt nhằm mục đích dự trữ nhiệt lượng Gannon và Backstrom vào năm 2000 đã giới thiệu phân tích quá trình nhiệt động lực học của tháp mặt trời, bên cạnh đó các ông này còn phân tích về những tính chất của turbine sử dụng trong hệ thống này vào năm 2003 Ruprecht và cộng sự đưa ra kết quả tính toán động học lưu chất và thiết kế turbine cho loại tháp có công suất 200MW

Hình 2.1 Tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời (Mô hình thực tế tại

Manzanares - Tây Ban Nha) [4]

2.1.1 Nguyên lí hoạt động

Tháp đối lưu nhờ lượng mặt trời là hệ thống tạo năng lượng điện mới được kết hợp từ hiệu ứng của ba công nghệ: tháp đối lưu, nhà kính và turbine gió Không khí được đốt nóng bởi ánh mặt trời và chứa bên dưới mái kính tròn mở tại bán kính ngoài

và được gia nhiệt suốt 24 giờ nhờ các ống nước kín đặt bên dưới mái kính, những ống này thường chỉ cần được bơm nước vào một lần Ở giữa mái kính là một tháp đối lưu được nối kín với mái kính, chân tháp có không gian nhận không khí rất lớn Bởi vì không khí nóng nhẹ hơn không khí lạnh cùng với sự chênh lệch áp suất giữa hai tầng

độ cao khác nhau nên không khí chuyển động hướng lên theo tháp đối lưu Tháp hút không khí nóng tích trữ trong mái kính và không khí ở nhiệt độ thường tràn vào từ rìa ngoài của mái kính tiếp tục được đốt nóng Từ đó tạo được sự chuyển động liên tục của dòng không khí bên trong tháp đối lưu Dòng khí này làm quay những turbine gắn ở chân tháp, chuyển hóa cơ năng thành điện năng

Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động tháp năng lượng mặt trời [6]

2.1.2 Những ưu và khuyết điểm từ hệ thống tháp đối lưu nhờ năng lượng mặt trời

- Hệ thống này có thể tạo năng lượng cả ngày lẫn đêm nhờ những ống nước trữ nhiệt mặt trời vào ban ngày và cung cấp nhiệt lại vào ban đêm

- Tạo ra năng lượng sạch 100%

- Không cần sử dụng nước trong quá trình vận hành (đập thủy điện giữa sa mạc) rất phù hợp với các nước có khí hậu khô nóng thiếu nước

- Không thải ra khí CO2 nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính

- Không gây hiệu ứng nhà kính

- Không thải chất độc ra môi trường

- Tạo ra nguồn năng lượng ổn định và không làm tổn hại môi trường

- Tạo ra khả năng thay đổi môi trường theo chiều hướng có lợi nhờ hệ thống nhà kính hấp thụ năng lượng mặt trời phía dưới

Hình 2.3 Bộ phận hấp thu năng lượng mặt trời thành hệ thống nhà kính

b Nhược điểm

- Chi phí đầu tư ban đầu tương đối cao làm mất tính cạnh tranh so với các

nguồn năng lượng khác

- Cần một diện tích lớn và tương đối bằng phẳng nhưng ít xảy ra thiên tai để

triển khai bộ phận hấp thụ năng lượng mặt trời cũng như tháp đối lưu

- Tháp năng lượng mặt trời chỉ đạt được 1/10 hiệu quả trong việc sử dụng sóng

mặt trời so với những tấm pin mặt trời

2.2 Lý thuyết tổng quan bài toán trường cặp đôi lưu chất - kết cấu

2.2.1 Các thông số cơ bản của lưu chất

Tại bất kỳ điểm nào trong lưu chất (chất lỏng hay chất khí) đều tồn tại áp suất

Nếu một vật thể được đặt trong lưu chất, bề mặt của nó sẽ chịu lực va chạm của một

lượng lớn phân tử lưu chất di chuyển ngẫu nhiên Xét theo phương vuông góc với bề

mặt vật thể, sự va chạm trên một vùng diện tích nhỏ xảy ra thường xuyên và không thể

xem xét riêng lẻ Hiện tượng này được xem như có một lực ổn định tác động lên trên

diện tích đó Mức độ (intensity) của các lực va chạm được gọi là áp suất tĩnh (static

pressure)

Đối với các vật thể di chuyển hoặc đứng yên trong môi trường lưu chất Áp suất

sẽ không được phân bố đều trên bề mặt vật thể và điều này sẽ gây ra lực khí động

(aerodynamic force) hoặc lực khí tĩnh (aerostatic force)

Do áp suất là lực trên một đơn vị diện tích, nên nó có thứ nguyên là:

0

lim

A

F p

A

δ

δδ

δ

δρ

δ

→

Khối lượng riêng có thứ nguyên là [ML-3] Đơn vị của nó trong hệ SI là kg/m3

Mật độ khối của không khí thay đổi theo mức áp suất Mật độ khối của chất

lỏng gần như là không thay đổi theo áp suất Do đó, ta có thể xem chất lỏng như là lưu

Trong đó g là gia tốc trọng trường có giá trị là 9,81 m/s2

Dưới tác dụng của trọng lực, trọng lượng riêng của không khí và nước tại 20oC

và 1 atm xấp xỉ là γkk= 11.8 N/m3 và γnước= 9790 N/m3

c Tỷ trọng δ

Tỷ trọng của lưu chất, ký hiệu là δ là tỷ số giữa trọng lượng riêng γ của nó với

một lưu chất ở điều kiện tiêu chuẩn.Đối với chất lỏng, lưu chất chuẩn là nước Đối với

chất khí, lưu chất chuẩn là không khí

3

988 /

liquid liquid liquid

Mọi vật thể, dù là chất lỏng hoặc khí, đều có thể nén được nghĩa là, khi áp suất

tăng từ p lên p+Δp, thể tích vật thể giảm từ V xuống V- ΔV Để đặc trưng cho khả

năng nén được này, người ta sử dụng đại lượng gọi là suất đàn hồi (bulk modulus) Nó

Suất đàn hồi phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ Đối với chất lỏng, K ít thay đổi

theo áp suất và nhiệt độ Do đó, có thể xem K của chất lỏng là hằng số Đối với chất

khí, giá trị K nhỏ hơn rất nhiều so với chất lỏng và thay đổi rất nhanh theo sự thay đổi

của áp suất

e Hệ số nhớt (Viscosity)

Lưu chất không có khả năng chịu lực cắt, một khi có lực này tác dụng, nó sẽ

chảy và xuất hiện lực ma sát bên trong Hình 2.4 mô tả một cánh định tính biến thiên

vận tốc của một dòng chảy bên trên một thành rắn.Vận tốc của phần tử lưu chất tiếp

xúc trực tiếp với thành rắn có cùng vận tốc với thành rắn (đều bằng không) Càng ra xa

thành rắn, vận tốc các phần tử lưu chất càng gia tăng Ta có thể chia lưu chất thành các

lớp chuyển động song song với nhau Ứng suất ma sát (lực ma sát trên một đơn vị diện

tích) giữa các lớp do sự chuyển động tương đối giữa chúng phụ thuộc vào gradient vận

tốc (du dy/ ) giữa các lớp Sự phụ thuộc này được mô tả bời định luật Newton:

du dy

Với µ được gọi là hệ số nhớt động lực học (hoặc đơn giản là hệ số nhớt) và u là vận tốc

của lưu chất ở xa thành vật rắn Đối với hầu hết các lưu chất µ=const Lưu chất loại đó

được gọi là lưu chất Newton Lưu chất mà hệ số nhớt thay đổi theo gradient vận tốc

được gọi là lưu chất phi Newton

Bên cạnh hệ số nhớt động lực học, người ta còn sử dụng khái niệm hệ số nhớt

Hình 2.4 Sự phân bố vận tốc tại lớp biên sát thành cứng

f Phân loại lưu chất

Lưu chất có thể phân loại tùy theo các giả thiết được chấp nhận trong cách phân tích bài toán dòng lưu chất Dòng lưu chất thường được phân loại thành cặp như sau::

- Ổn định (Steady) hoặc không ổn định (unsteady) Dòng lưu chất ổn định (Steady flow) là dòng lưu chất có các tham số (parameters), chẳng hạn như: vận tốc, áp suất , thay đổi từ điểm này sang điểm khác trong không gian Tuy nhiên, Các thông số đó tại một điểm lại không thay đổi theo thời gian

- Dòng không nhớt (Inviscid) hoặc dòng nhớt (viscous) Dòng không nhớt là dòng có hệ số nhớt bằng μ=0 và ngược lại

- Không nén được (Incompressible) hoặc nén được (compressible) Dòng lưu chất không nén được là dòng có mật độ khối ρ=const không thay đổi theo thời gian và ngược lại

- Chất khí hoặc chất lỏng

Dòng lưu chất trong các bài toán thường là sự kết hợp của các tính chất trên Chẳng hạn, chúng ta có thể nói là một dòng khí ổn định, nhớt và không nén được

2.2.2 Phương pháp thể tích kiểm soát - Đạo hàm toàn phần của một tích phân

khối

Thể tích kiểm soát là một thể tích cố định với một hệ tọa độ xác định nào đó

trong trường lưu chất chuyển động, trong đó, ta nghiên cứu sự biến thiên theo thời gian

của các thông số của dòng chảy

Hình 2.5 Thể tích kiểm soát

Trong dòng chảy, xét một thể tích nhất định W1 được bao bởi mặt cong kín S

Tại thời điểm t1, thể tích lưu chất chứa trong thể tích đó chính là W1 Sang thời điểm t2

= t1 + Δt, cả lượng lưu chất trên sẽ di chuyển sang vị trí mới và chiếm một thể tích mới

W2 Ta gọi các thể tích A, B, C (hình 2.3), trong đó B là phần thể tích chung giữa W1

và W2 W1 được gọi là thể tích kiểm soát Lưu chất có thể ra vào thể tích đó nhưng thể

tích kiểm soát vẫn được giữ không đổi trong toàn miền nghiên cứu Ta nhận thấy, trong

khoảng thời gian Δt, một số phần tử lưu chất đã di chuyển ra khỏi thể tích kiểm soát

chiếm thể tích C và các phần tử ngoài thể tích kiểm soát đi vào và lấp đầy thể tích A

Gọi X là một đại lượng nào đó của khối lưu chất chứa trong thể tích kiểm soát

(khối lượng, năng lượng hoặc động lượng) và κ là lượng X chứa trong một đơn vị

khối lượng lưu chất (ví dụ κ là năng lượng của một đơn vị khối lượng lưu chất), ta có:

W

Như vậy, ở thời điểm t1 đại lượng X của toàn hệ thống nằm trong thể tích kiểm

Vậy trong khoảng thời gian Δt, hệ thống các phần tử lưu chất di chuyển từ vị trí

có thể tích W1 sang vị trí có thể tích W2 và sự thay đổi đại lượng X của hệ thống là:

phần tử lưu chất đi vào thể tích kiểm soát qua diện tích S1

Xét vi phân diện tích dA, vector vận tốc ur Thể tích lưu chất qua dA trong một

đơn vị thời gian là u dA u n dAn = r r , nr là vector đơn vị pháp tuyến của diện tích dA hướng

ra ngoài thể tích kiểm soát

Giá trị đại lượng X của các phần tử lưu chất đi qua diện tích dA là κρu ndAr r.

hướng đi vào và vector nr hướng ra ngoài thể tích kiểm soát, do vậy tích số u nr r luôn

Theo định luật bảo toàn khối lượng, khối lượng của hệ thống không thay đổi

theo thời gian:

0

dm

Áp dụng phương trình vận chuyển (2.21) với X là khối lượng của hệ thống lưu

2.2.4 Phương trình chuyển động của lưu chất lý tưởng (Phương trình Euler)

Trong cơ học, nguyên lý biến thiên động lượng được phát biểu như sau: ngoại

lực tác dụng lên một hệ thống lưu chất bằng tốc độ thay đổi động lượng của khối lưu

Xét một khối lưu chất vô cùng nhỏ (hình 2.4) có các cạnh δx, , δy δz Gọi p, ρ

, Fr

và ur là áp suất, khối lượng riêng, vector cường độ lực khối và vector vận tốc tại

trung tâm của khối Phương trình động lượng áp dụng cho khối lưu chất có dạng:

Lực mặt trên bốn bề mặt còn lại không có thành phần trên phương x Phương

trình (2.29) xuống phương x, thế vào ta được:

p du F

du p

p du F

z dt

ρ −∂ =ρ

Hệ ba phương trình (2.33), (2.34), (2.35) được gọi là hệ phương trình vi phân

chuyển động của lưu chất lý tưởng, còn gọi là hệ phương trình Euler Dưới dạng

vector, hệ này còn có thể được viết:

Trong trường hợp lưu chất lý tưởng, hệ phương trình trên có 4 ẩn u u u p x, , , y z

Để giải hệ phương trình này, ta cần thêm 1 phương trình liên tục:

Phương trình Euler được viết cho lưu chất lý tưởng, nghĩa là bỏ qua lực ma sát

Ngoại lực tác dụng gồm có lực khối và lực mặt, trong đó lực mặt chỉ là áp lực Chuyển

động của lưu chất thực luôn có ma sát Ứng suất bề mặt tại 1 điểm sẽ gồm 9 thành

phần Trong đó theo phương x có 3 thành phần là σxx, , τxy τ Các ứng suất này được yx

xác định theo định luật ma sát nhớt của Newton mở rộng:

3

yy

u u u u p

y x y z

σ = − + μ∂ − μ⎛⎜∂ +∂ +∂ ⎞⎟

22

xy yx

u u

Tương tự như khi thiết lập phương trình Euler, ta cũng xét 1 khối lưu chất vô

cùng nhỏ (hình 2.7) Ngoại lực tác dụng cũng gồm có lực khối và lực mặt, trong đó

thành phần trên phương x và của lực khối vẫn được tính như cũ: