Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển sản xuất điện dùng bộ chuyển đổi thủy lực

NGHIÊN CỨU , THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN SẢN XUẤT ĐIỆN DÙNG BỘ CHUYỂN ĐỔI THỦY LỰCChuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số: 605204 LUẬN VĂN THẠC SĨ... 2-

ĐỊNH NGHĨA CÁC THÔNG SỐ CỦA SÓNG BIỂN VÀ PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

Phân loại thiết bị

Hiện nay đã có hơn 1000 bằng phát minh sang chế về các thiết bị này đăng kí ở châu Âu, Bắc Mĩ và Nhật Bản Nhưng có thể phân loại các thiết bị dựa vào các tiêu chí: Theo tiêu chí về vị trí lắp đặt thiết bị;

Theo tiêu chí về độ sâu lắp đặt thiết bị;

Theo tiêu chí về nguyên lý vật lý và công nghệ chuyển đổi năng lượng

2.2.1 Phân loại theo vị trí lắp đặt so với bờ biển: Được chia làm 3 loại: là loại trên bờ, gần bờ và xa bờ địa chất bờ biển, thủy triều phạm vi, bảo quản cảnh quan ven biển, …

Gần bờ: vùng biển có độ sâu từ 20-30 m, cách bờ biển không quá 500m

WaveRoller Cũng có những ưu điểm gần giống các thiết bị trên bờ nhưng năng lượng sóng thu được thì cao hơn

Xa bờ: ở vùng nước biển sâu hơn 40m

Năng lượng cao Yêu cầu có hệ thống neo linh hoạt và hệ thống cáp truyền dẫn dài

2.2.2 Phân loại theo đặc điểm hấp thụ năng lượng:

Công nghệ năng lượng sóng ngày càng phát triển nhanh và thay đổi rộng rãi trong các ứng dụng của các thiết bị chuyển đổi Thiết bị chuyển đổi năng lượng có thể được chia

16 thành các nhóm chính: Attenuators - kiểu hấp thụ năng lượng theo đường-đặt song song với phương truyền sóng, Overtopping - kiểu tràng, oscillating water column (OWC) - dao động cột nước, kiểu hấp thụ điển

2.2.2.1 Kiểu hấp thụ năng lượng theo đường - Attenuator:

Loại thiết bị này được đặt sao cho phương truyền sóng di dọc theo suốt chiều dài của nó Khi sóng truyền qua sẽ gây ra các chuyển động tại các khớp nối Một hệ áp suất thủy lực sẽ thu năng lượng tại các khớp chuyển động này Ưu điểm của loại này là diện tích cản sóng nhỏ nên hoạt động lực nhỏ.Pelamis là một đại diên điển hình của loại này Hình dáng của nó giống như một con rắn nữa nổi nửa chìm trên mặt nước biển

Hình 2 1: Mô hình thiết bị Pelamis 2.2.2.2 Kiểu tràn:

Hình 2 2: Mô hình thiết bị Wave Dragon Đặc điểm:

Dòng sóng biển sẽ được chắn và dẫn vào một bồn chứa làm quay một tua bin thủy lực Ưu điểm:

Sử dụng kiểu chuyển đổi điện như các nhà máy thủy điện truyền thống đã được nghiên cứu từ trước

Tuy nhiên nguồn động học nước cung cấp từ kiểu này có tính phi tuyến rất mạnh khó kiểm soát dẫn đế nguồn điện cung cấp từ loại thiết bị này không ổn định

Wave Dragon được đặt ở vùng biển khơi Đan Mạch

Hình 2 3: Mô hình thiết bị Wave Plane 2.2.2.3 Kiểu dao động cột nước: Đặc điểm:

Một hầm chân không bằng thép hoặc là bê tong được xây dựng ở trên bờ biển Một đầu đón sóng biển một đầu thông với khí quyển thông qua một tua bin khí – “well” tua bin Khi sóng biển tràng vào và rút đi thì sẽ tạo một sự dao động áp suất không khí làm quay tua bin làm quay máy phát điện Đặc điểm của “well” tua bin là luôn quay một chiều bất kể dòng không khí đi vào theo hướng nào Ưu điểm:

Dễ lắp đặt và bảo trì

Không cần cáp truyền dẫn xa và hệ neo đậu

Năng lượng sóng gần bờ thấp Tuy nhiên có thể khắc phụ đặc điểm này bằng cách tập trung năng lượng sóng bằng phướng pháp khúc xạ và nhiễu xạ

Hình 2 4: Mô hình thiết bị sử dụng nguyên lý dao động cột nước

Là một trong những thiết bị dược nghiên cứu sâu nhất Limpet là một thiết bị điển hình hiện đang làm việc, kết nối lưới điện

2.2.2.4 Kiểu hấp thụ năng lượng kiểu chắn sóng - Oscillatory Wave

Hình 2 5: Thiết bị Aquamarine Power Oyster 2.2.2.5 Phương pháp hấp thụ điểm:

Loại nguyên lý hoạt động kiểu nhấp nhô lên xuống ( Heaving systems)

Các phương pháp chuyển đổi năng lượng

Hình 2 7: Sơ đồng thể hiện các loại bộ chuyển đổi sử dụng trong các bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển

2.3.1 Dạng chuyển đổi tua bin:

Nguyên lý của những loại thiết bị kiểu này là dùng năng lượng sóng ép chất lỏng hoặc là không khí làm quay cánh tua bin từ đó kéo theo làm quay thiết bị phát điện Điển hình của loại nén không khí làm quay tua bin là thiết bị Limpet Điển hình của loại làm quay cánh tua bin bằng chất lỏng là thiết bị Wave Dragon

2.3.2 Dạng chuyển đổi thủy lực:

Bộ chuyển đổi thủy lực thích hợp với dao động sóng ở tốc độ thấp Có thể hoạt động ở áp suất lên tới 400 bar là một trong những ưu điểm dễ nhận ra của loại này khi kích cỡ và khối lượng được tính đến Hình bên dưới thể hiện sơ đồ một hệ thống chuyển đổi thủy lực cơ bản Xi lanh chuyển động lên xuống nhờ một phao nổi Xi lanh này sẽ đẩy lưu chất đi đến hệ thống Valve 1 chiều Hệ thống valve này giúp dòng lưu chất chỉ chuyển động theo một chiều cố định mặc dù xi lanh chuyển động lên xuống Hệ thống này đang được sử dụng trong thiết bị Pelamis

Hình 2 8: Sơ đồ một bộ chuyển đổi dạng thủy lực 2.3.3 Dùng động cơ tuyến tính:

Ngay từ đầu nghiên cứu chuyển đổi năng lượng sóng biển, máy phát điện tuyến tính đã được chú ý tới tuy nhiên vấn đề gặp phải là thiết bị sẽ nặng nề, cồng kềnh, đắt tiền và hiệu suất thấp Với sự phát triển của vật liệu nam châm điện mới thì bài toán kĩ thuật của loại thiết bị này phần nào được giải quyết Thiết bị cho phép chuyển trực tiếp năng lượng cơ thành điện năng

Hình 2 9: Sơ đồ bộ chuyển đổi dùng động cơ tuyến tính

Hình 2 10: Bảng phân loại các thiết bị chuyển đổi sóng biển

Hình 2 11: Danh sách các thiết bị tương ứng với công ty sản xuất hệ thống thủy lực có ý nghĩa to lớn và triển vọng trong nghiên cứu các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

Như đã trình bày trên, chủ yếu các thiết bị hiện năng được chia là 3 dạng chính dựa theo cách hấp thụ năng lượng (attenuators, point absorbers và terminators)

3.1 Ứng dụng hệ thống thủy lực trong các thiết bị hấp thụ năng lượng theo đường - Attenuators:

Thiết bị có dạng một số cơ cấu có các khớp nối nổi trên mặt nước thu năng lượng sau đó hệ thống thủy lực sẽ dẫn động mô tơ quay máy phát điện Năng lượng thu được sẽ tối đa khi tần số dao động riêng của thiết bị bằng với tầng số dao động của sóng Đơn cử là thiết bị Pelamis của Ocean Power Delivery, Vương Quốc Anh Thiết bị này sử dụng truyền động thủy lực Công nghệ điển hình nhất là thay đổi năng lượng sóng không ổn định thành năng lượng thủy lực ổn định bằng bình tích áp áp suất cao sau đó dẫn động mô tơ máy phát điện Một cặp xi lanh sẽ thu chuyển động xoay quanh khớp của thiết bị để bơm lưu chất trong mạch làm quay mô tơ máy phát

Hình 3 1: Sơ đồ bộ chuyển đổi thủy lực trong thiết bị hấp thụ năng lượng theo đường 3.2 Ứng dụng hệ thống thủy lực cho dạng hấp thụ điểm:

Dạng thiết bị kiểu hấp thụ điểm phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây Hệ gồm một phao nổi dẫn động một xi lanh thủy lực bơm lưu chất trong mạch Sử dụng hệ bình tích áp cao và bình tích áp thấp để ổn định dòng lưu chất Bình tích áp sử dụng khí nitơ có thể chịu nén tới áp suất 50-60 Mpa

Hình 3 2: Sơ đồ bộ chuyển đổi thủy lực trong thiết bị hấp thụ năng lượng điểm

3.3 Ứng dụng hệ thống thủy lực cho thiết bị kiểu chắn sóng -

Terminators WECs sử dụng hình học của mình để tránh làn sóng bức xạ trở lại và giảm sức đề cản, chẳng hạn thiết bị Salter và thiết bị con lắc

Nguyên tắc của con lắc được đề xuất đầu tiên bởi giáo sư Watabe Tomiji thuộc Viện Công nghệ Muroran

Hình 3 3: Sơ đồ bộ chuyển đổi thủy lực trong thiết bị hấp thụ năng lượng kiểu chắn sóng

3.4 Yêu cầu kĩ thuật đối với hệ thống thủy lực: Ổn định công suất đầu ra

Khi sóng là ngẫu nhiên, nó làm cho sản lượng điện thiết bị không ổn định Do đó, làm thế nào để giải quyết vấn đề này trở thành vấn đề quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống thủy lực Bánh đà và hệ thống lưu trữ năng lượng thành phần (bình tích áp) để làm giảm sự biến động năng lượng thường được sử dụng Động cơ thủy lực được nối với máy phát thông qua bánh đà Khi sóng biển lớn, tốc độ của mô tơ cao, bánh đà sẽ thu năng lượng; và khi sóng nhỏ, tốc độ mô tơ thấp, bánh đà giải phóng năng lượng Bằng cách này, dễ dàng tạo được tạo được sự chuyển động ổn định của máy phát Tuy nhiên, sử dụng bánh đà lại gây ảnh hưởng đến khả năng bảo trì của thiết bị nhất là thiết bị trên biển Vì vậy hệ thống thủy lực ít sử dụng bánh đà để ổn định công suất Thay vào đó, bình tích áp được sử dụng nhiều hơn với một số ưu điểm như dễ lắp đặt, tuổi thọ cao, giảm tiếng ồn, dao động nhỏ và có thể cung cấp áp cho hệ thống, giữ cho hệ thống an toàn ở một áp suất cho phép

Q lưu lượng trong mạch (luôn luôn thay đổi) lưu lượng riêng của bơm, sẽ thay đổi để cho tốc độ đầu ra của mô tơ là ổn định

Pelamis và WaveRoller là hai thiết bị điển hình sử dụng mô tơ có lưu lượng riêng thay đổi để ổn định tần số dòng điện đầu ra Lưu lượng riêng của mô tơ được điều chỉnh theo thời gian thực theo điều kiện của sóng Máy phát nhờ có tốc độ ổn định của mô tơ mà tạo ra dòng điện AC ổn định với tần số cố định

CHƯƠNG 4 THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG DÙNG BỘ

Tổng quan

Hình 3 4: Hai phiên bản của thiết bị Pelamis

Hình 3 5: Mô hình cụm phát điện và với các thiết bị thủy lực bên trong

Thiết bị phát điện Pelamis là một công nghệ có sử dụng các chuyển động của sóng biển để tạo ra điện và dùng bộ chuyển đổi thủy lực Thiết được cấu tạo bởi các bộ phận kết nối với nhau sẽ lắc lư và uốn cong khi sóng truyền qua, những chuyển động này được sử dụng để tạo ra điện điện Đươc phát triển bởi công ty Pelamis Wave Power (trước đây là Ocean Power Delivery), Pelamis trở thành thiết bị phát điện xa bờ đầu tiên tạo ra điện kết nôi vào lưới điện, khi nó được kết nối vào lưới điện Vương quốc Anh năm 2004 Pelamis Wave Power đã chế tạo và thử nghiệm 5 thiết bị Pelamis Ba thiết bị thế hệ đầu tiên - P1 đã được thử nghiệm trong một trang trại ngoài khơi bờ biển của Bồ Đào Nha năm

2009 và hai thiết bị thế hệ thứ hai - P2, bắt đầu kiểm tra ngoài khơi Orkney trong năm

Pelamis thuộc nhóm thiết bị thu năng lượng sóng dọc theo phương truyền sóng –

Attenuating Hình dáng nhỏ và dài làm hạn chế được tác động của tải thủy động

Với việc bối trí 2 khớp quay chéo nhau có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng khi sóng nhỏ nhưng lại giảm tải cũng như chuyển động khi có sóng lớn

Kiểm tra phiên bản 2 ở European Marine Energy Centre (EMEC):

P2 là phiên bản thứ hai của công ty Pelamis Wave Power P2 dài 180m, đường kính 4m và trọng lượng khoảng 1350 tấn Gồm 5 ống và 4 khớp linh hoạt được thiết kế dài hơn và to hơn so với phiên bản P1 trước đây

Trong năm 2010, Pelamis Wave Power bắt đầu kiểm tra các máy P2 đầu tiên tại Trung tâm Năng lượng biển châu Âu (EMEC), Orkney, Scotland Máy thuộc sở hữu của công ty tiện ích của Đức, E.ON, và là hợp đồng thương mại đầu tiên của Vương quốc Anh trong lĩnh vực năng lượng biển Trong tháng 3 năm 2010 Pelamis Wave Power công bố đơn đặt hàn thứ hai cho một máy P2, từ công ty năng lượng tái tạo Xcốt- len, Scottish Power Renewables, chi nhánh của Iberdrola Renovables Máy được lắp đặt tại EMEC, trong mùa hè năm 2011 Hai công ty thông báo rằng họ sẽ làm việc với nhau để chia sẻ và cộng tác trong thử nghiệm phiên bản P2

Các dự án đang được phát triển:

E.ON và Scottish Power Renewables đã công bố kế hoạch xây dựng các dự án lớn hơn bằng cách sử dụng máy Pelamis trong vùng biển ngoài khơi bờ biển phía tây của

Orkney Cả hai công ty giành được hợp đồng cho thuê trong năm 2010 từ công ty bất động sản Crown, sở hữu diện tích mặt biển xung quanh Vương quốc Anh, cho các dự án lên tới 50MW Pelamis Wave Power cũng được thuê bờ biển phía Bắc Scotland tại Farr Point, Sutherland để độc lập phát triển một dự án 50 MW

Trong tháng 10 năm 2010, pelamis năng lượng sóng được đảm bảo một thỏa thuận thứ hai từ Crown Estate để phát triển một dự án 10MW ở Bernera, Isle of Lewis, Scotland Trang trại, dự định xây dựng 2015-2016 sẽ bao gồm 14 máy Pelamis

Trong tháng 12 năm 2009, Pelamis Wave Power công bố một liên doanh với công ty của Thụy Điển Vattenfall để phát triển một trang trại sóng ngoài khơi bờ biển phía tây nam của Shetland Công ty liên doanh được đặt tên Aegir Wave Power, đang có kế

Pelamis Wave Power thử nghiệm mẫu tỉ lệ thực đầu tiên tại Trung tâm Năng lượng biển châu Âu ở Orkney, Scotland từ 2004 đến 2007 Máy, công suất 750 kW, là làm máy phát điện sử dụng năng lượng sóng biển ngoài khơi kết nối và lưới điện lưới điện

Mẫu thử dài 120m dài và đường kính 3,5 m Nó bao gồm bốn ống liên kết ba mô đun chuyển đổi ngắn hơn

Năm 2008 Pelamis thử nghiệm ba thiết bị thế hệ đầu tiờn – P1 ở trại súng Aguỗadoura Nằm ngoài khơi bờ biển phía tây bắc của Bồ Đào Nha gần Povoa de Varzim các trang trại có công suất lắp đặt của 2.25MW và là dự án kết hợp nhiều máy phát đầu tiên trên thế giới Dự án này là một phần được tài trợ bởi Enersis – công ty tiện ích của Bồ Đào Nha, đồng thời thuộc sở hữu công ty đầu tư toàn cầu Babcock & Brown của Úc Trang trại phát điện đầu tiên vào 7-2008 nhưng đã kết thúc trong tháng 11-2008 khi

Babcock & Brown gặp phải khó khăn về tài chính

Sơ đồ khối của thiết bị

Hiện nay, thiết bị đã phát triển qua tới phiên bản thứ 2 Với một số cải tiến so với phiên bản 1

Số lượng cụm năng lượng 3 4 Đường kính cụm ống chính 3.5 m 4 m

Cấu tạo khớp nối Dùng khớp bản lề Dùng khớp nối không gian

- tăng gấp đôi miền làm việc

Cải tiến hệ thống tích hợp bên trong nâng cao hiệu suất chuyển đổi

Kết cấu đơn giản hơn - nên giảm giá thành chế tạo Các hệ thống được lắp ráp

Piston thủy lực - hydraulic rams lưu chất - hydraulic fluid

Bộ tích áp - pressure accumulators

Van cao áp - high pressure valve Động cơ thủy lực có lưu lượng thay đổi - variable displacement hydraulic motor Máy phát điện đồng bộ 3 pha

Hình 4 1: Mô hình tỉ lệ 1/7

Bảng thiết kế mô hình tỉ lệ 1/7 của thiết bị Pelamis dùng cho thử nghiệm

4.2.1 Bảng thiết kế mô hình

Chiều dài tổng cộng: 17 m Đường kính: 0.5 m

Bao gồm 4 ống tròn có chiều dài bằng nhau

Khớp nối: 3 khớp nối, mỗi khớp có 2 bậc tự do

Mũi: dài 5m, với thiết kế đầu hình côn Đuôi: phẳng

Mô hình sẽ được cố định bằng một hệ thống neo Chi tiết mô hình neo không đề cập trong đề tài

Các ống chính được làm từ sợi thủy tinh Tất cả các thành phần khác được dán hoặc liên kết cơ khí đến các ống chính Vật liệu giá thành rẽ, linh hoạt trong thiết kế và kết cấu cứng vững bên cạnh đó cũng dễ sửa đổi và sửa chữa Ngoài ra, bên trong mỗi ống chính sẽ là một hệ thống dằn bằng thép Ở cuối ống được chụp kín bằng gỗ giúp cho ống nổi

Hình 4 2: Hình dạng và kích thước mô hình

Bảng thiết kế gồm 4 cụm ống chính:

Mỗi khớp có 2 bậc tự do xoay như trên hình Khi các ống xoay quanh khớp bản lề sẽ dẫn động các xilanh thủy lực bơm lưu chất cung cấp cho động cơ máy phát điện

Hình 4 4: Khớp nối 2 bậc tự do

Hai khớp bản lề kế tiếp nhau sẽ được bố trí vuông góc nhau nhằm tăng hiệu suất thu năng lượng của thiết bị

Hình 4 5: -Phần mũi; 2-Ống giữa; 3-Phần đuôi; 4-Hốc chứa bộ điều khiển; 5-Khớp xoay 2 bậc tự do; 6-Xi lanh thủy lực

Hình 4 6: -Khớp xoay; 2-Miếng kết nối; 3-Xi lanh thủy lực; 4-Chốt xoay cho xi lanh thủy lực; 5-Trục xoay

Hình 4 7: Ống chính; 2-Chi tiết che ống làm bằng vật liệu nổi; 3-Thanh nối khớp bản lề; 4-Trục cố định khớp bản lề với ống; 5-Trục cố định thanh nối khớp bản lề với miếng nối xi lanh; 6-Miếng nối xi lanh; 7-Tấm gia cường ống; 8- Cửa khoan bộ điều khiển thủy lực

4.2.2 Tính toán, thiết kế mạch thủy lực

Hình 4 8: Mạch thủy lực cho thiết bị; 1-Xi lanh; 2, 4- Van chỉnh áp; 3-Van phân phối;

5- Bình tích áp; 6 – Đồng hồ hiển thị áp suất; 7- Van phân phối; 8 - Van tiết lưu; 9 -

Van một chiều điều khiển được; 10 – Động cơ thủy lực kiểu cánh quạt

Các thông số ban đầu:

+ Chọn thông số kích thước xi lanh: Đường kính D = 100mm, Hành trình L 250 mm, đường kính trục xi lanh d = 70mm

+ Động cơ thủy lực kiểu cánh gạt cho phù hợp với bản thiết kế 1/7 vì kích thước nhỏ gọn, công suất nhỏ (mô hình thực tế sử dụng động cơ thủy lực kiểu piston có lưu lượng riêng thay đổi được)

Nguyên lý hoạt động mạch thủy lực thiết kế:

- Các van chỉnh áp 2.1 và 2.2 nhằm bảo vệ hệ thống khi áp suất vượt quá giá trị cho phép

- Sau đó áp suất dầu sẽ được lưu trữ trong bình tích áp với giá trị cài đặt cần thiết bằng cách sử dụng van chỉnh áp số 4

- Van phân phối số 7 được sử dụng để điều chình hướng dầu đi vào các van tiết lưu 8.1 hoặc 8.2 tùy theo yêu cầu sử dụng chiều quay động cơ là trái hoặc phải Các van một chiều điều khiển 9.1 và 9.2 được sử dụng để hãm tốc độ khi cần dừng động cơ

Tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch thủy lực:

Thời gian cho một hành trình xy lanh (đi và về):

Số hành trình xy lanh trong một phút:

Lưu lượng dầu tạo ra trong một phút:

Lưu lượng dầu 2 xy lanh tạo ra trong một phút: 94.2 lít/phút

Chọn sơ bộ thông số động cơ ban đầu như sau:

Tốc độ quay 1450 vòng/phút

Lưu lượng riêng động cơ thủy lực:

× = 65 cm 3 /vòng Áp suất hệ thống tạo ra: ×

Hình 4 9: Mô tơ thủy lực kiểu cánh gạt

- Tốc độ quay lớn nhất cho phép:

Lựa chọn bình tích áp:

Nhà sản xuất: Vickers-USA

Model: A2 30 A 05G BN M 10 có khả năng tích áp đến áp suất 210 bar, thể tích 18,9 lít

Lựa chọn van phân phối:

Lựa chọn van phân phối 4 cửa, 2 vị trí điều khiển bằng celenoid (3) Model: SV5-10-4M-2G-24D-24A

Lựa chọn van phân phối 4 cửa, 3 vị trí điều khiển bằng celenoid (7) Model: DG4V5 8C M U H6 60

Lựa chọn van áp suất

Lựa chọn van tiết lưu:

Hình bên dưới thao khảo cách bố trí mô hình thí nghiệm tỉ lệ 1/7

Hình 4 11: Tham khảo cách bố trí đường dây hệ thống thủy lực

CÁC LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC THIẾT Bị CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

Điều khiển pha – Latching control

Lý thuyết điều khiển pha là một trong những vấn đề chính cần phải giải quyết của đa số các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng Điều khiển tối ưu hệ thống này là một vấn đề khó và đã được nghiên cứu lần đầu tiên năm 1979 và vẫn là một vấn đề mở cho đến ngày hôm nay

Khi nào lực kích thích ở trạng thái cực độ hoặc vận tốc hệ xuống không, giữ cho hệ cố định ở một khoản thời gian nhất định Khi lực kích thích ở trạng thái pha hợp lí sẽ mở

Hình 5 1: Biểu diễn mối quan hệ pha của sóng biển và thiết bị Điều khiển Latching bản chất là rời rạc, phi tuyến mạnh, xấp xỉ tối ưu Đường (a) biểu diễn sóng biển Đường (b) thể hiện chuyển động nhấp nhô của phao nổi với khối lượng tương đối lớn sao cho tần số dao động riêng gần bằng tần số sóng Đường (c) thể hiện chuyển động của phao khối lượng nhỏ vì thế tần số dao động riêng lớn hơn, sẽ được ngắt khi sóng tới quá mạnh Phao nổi sẽ hoạt động khi sóng tới phù hợp sao cho đường hấp thụ năng lượng có pha xấp xỉ pha của sóng tới Vận tốc của phao là tối đa tại đỉnh sóng hoặc máng sóng Một thiết bị có khối lượng không đáng kể sẽ theo đường (a) Hệ thống latching giữ và thả phao nổi phải nhanh Về vấn đề này hệ chuyển đổi thủy lực là dễ dàng đáp ứng nhất

Latching control đang là chủ đề nghiên cứu về mô phỏng hiện nay Yêu cầu là phải dự đoán được thời gian mở tối ưu phóng thích phao nổi, đây chính là biến điều khiển Với

48 sóng tuần hoàn khoảng thời gian này có thể được xác định xấp xỉ bằng một nửa sự sai lệch giữa chu kỳ sóng và chu kì dao động riêng của thiết bị.

Reactive loading control

Reactive loading control sử dụng để mở rộng miền hiệu suất của thiết bị quanh tần số cộng hưởng Quá trình điểu khiển tối ưu bao gồm việc thay đổi các thông số động học của thiết bị như hệ số đàn hồi, mô men quán tính, năng lượng hấp thụ của giảm chấn để tối đa khả năng hấp thu năng lượng tất cả các tần số.

Điều khiển mạch thủy lực thiết bị Pelamis

Xét một mạch thủy lực đơn giản gồm một phao nổi, xi lanh thủy lực, bình tích áp cao và bình tích áp thấp, mô tơ thủy lực Thực chất của quá trình điều khiển là hiệu chỉnh hệ số giảm chấn – khả năng hấp thụ năng lượng của thiết bị

Hình 5 2: Sơ đồ mạch chuyển đổi dùng thủy lực

Hình 5 3: Vị trí bộ chuyển đổi thủy lực trong thiết bị Pelamis

Hình 5 4: Bố trí các phần tử xi lanh, bình tích áp trong thiết bị Pelamis thực tế

Hình 5 5: Phần tử mô tơ Điều khiển hệ số giảm chấn của bộ chuyển đổi: Điều khiển lưu lượng lưu chất qua bơm q dựa vào sự chênh lệch áp suất ∆ giữa 2 bình tích áp

Với G là hệ số điều khiển

Sc là diện tích xi lanh Điều khiển lưu lượng tức thời lưu chất trong mạch bằng cách điều khiển góc nghiên của đĩa nghiên trên mô tơ

TÍNH TOÁN CÁC ĐẠI LƯỢNG KỸ THUẬT CỦA THIẾT BỊ BẰNG PHẦN MỀM ANSYS CFX 14

Mục tiêu

Xác định công suất mà một ống chính có thể hấp thụ được với giá trị thông số sóng đầu vào cố định bằng phần mềm Ansys CFX 14

Thông số đầu vào

Thông số sóng biển: chu kỳ 5.2 s, chiều cao sóng 0.57 m

Chi tiết được mô phỏng sẽ được khảo sát chuyển động với 2 bậc tự do Một bậc tự do tịnh tiến theo trục z và một bậc tự do xoay quanh trục y

Thông số hình học của ống:

Hình 6 1: Mô hình ống mô phỏng Ống hình trục có kích thước : 0.5x4 (mét)

Khối lượng và mô men quán tính theo bảng

Mô men quán tính đối với trục X 14.542 [kg m^2]

Mô men quán tính đối với trục Y 627.736 [kg m^2]

Khi có sóng biển đến thì ống chính của thiết bị sẽ chuyển động nhấp nhô và quay quanh truc z

Khi đó công suất hấp thụ của ống chính được tính theo công thức:

Với là mô men vận tốc góc

Ta có công thức mô men được xác định như sau: mô men quán tính quanh trục z gia tốc gốc

Ta có thể viết lại công suất theo mối quan hệ giữa mô men quán tính, vận tốc gốc và gia tốc gốc như sau: Để giải quyết yêu cầu đặt ra, ta cần giải quyết bài toán tương tác giữa chất lỏng và chất rắn Trong đề tài quá trình giải sẽ được sự hỗ trợ của máy tính Phần mềm Ansys

Workbench 14 với bộ công cụ CFX sẽ được sử dụng và trình bày chi tiết ở các mục kế tiếp

6.4 Giới thiệu phần mềm Ansys CFX 14

Phần mềm ANSYS CFX là một chương trình động lực học chất lỏng áp dụng để giải các bài toán dòng chảy ANSYS CFX cho phép mô tả gần như tất cả các hiện tượng liên quan đến dòng chất lỏng Bộ giải và nhiều mô hình vật lý của nó được gói trong một giao diện đồ họa (GUI) và môi trường người dùng hiện đại, trực quan và linh hoạt, với các khả năng mở rộng cho tùy biến và tự động hóa dùng các file ghi lệnh thực thi (session), ngôn ngữ script và ngôn ngữ biểu thức

ANSYS CFX được tích hợp trong nền tảng ANSYS Workbench cho phép việc mô hình hóa dễ dàng đồng thời có khả năng kết nối với các hệ thống CAD khác nhau (khả năng import geometry)

Các công nghệ chia lưới trong ANSYS Meshing dễ dàng kéo thả, truyền dữ liệu và các kết quả để chia sẽ giữa các ứng dụng

Tiến trình làm việc trực quan, tham số và tự động

Phản ứng hóa học và cháy

Các đặc tính vật liệu

Tương tác chất lỏng – kết cấu (FSI)

Các công cụ tùy biến và script mở rộng

Các mô đun Add – on

6.5 Mô phỏng trên phần mềm Ansys CFX 14

6.5.1 Các bước khi tiến hành mô phỏng một bài toán trên máy tính:

Theo định luật bảo toàn khối lượng, khối lượng của một hệ thống không thay đổi theo thời gian:

6.5.2.2 Phương trình chuyển động của lưu chất thực – Phương trình Nevier-

Stockes hay còn gọi là phương trình Mô men

GiảiSolverXuất kết quảPost Processor

Hình 6 2: Các lực tác dụng lên một phần tử thể tích

Xét một khối hình hộp vô cùng nhỏ Ngoại lực tác dụng lên khối hình hộp gồm lực khối và lực mặt được xác định như sau:

Viết phương trình định luật 2 Newton trên phương x

Một cách khai triển khác của phương trình Navier-Stock theo dạng ma trận để dễ dàng giải bằng phương pháp số bên dưới Toàn bộ miền lưu chất sẽ được chia nhỏ thành hữu miền thể tích nhỏ

: khối lượng riêng lưu chất

U: vận tốc lưu chất p: áp suất lưu chất

, , ,Γ tương ứng là hệ số nén, khối lượng riêng, vận tốc, hệ số khuyếch tán 6.5.2.3 Động học vật rắn:

Theo nguyên lý Chasles: chuyển động của mô hình có thể được tác thành 2 chuyển động tịnh tiến và chuyển động xoay

Phương trình chuyển động tịnh tiến:

= ̇ Mô men động lượng ̈ gia tốc đi qua trọng tâm

F Ext : ngoại lực tác động

Phương trình sẽ được phần mềm Ansys giải bằng sơ đồ tích phân ẩn Newmark

M Aero : Mô men khí động

MExt: mô men ngoại lực tác động

Phương trình sẽ được giải bằng phương pháp đạo hàm cấp 1 Ơle hoặc thuật toán Simo- Wong

6.6 Mô phỏng trên phần mềm Ansys CFX

Xây dựng mô hình một bể nước khảo sát như trên hình

Hình 6 3: Mô hình bể nước và vận thể cần mô phong

Do mô hình cần khảo sát có tính đối xứng nên ta xây dựng một nửa mô hình để giảm thời gian tính toán Để tạo được sóng biển ta mô hình cho tường bên trái tịnh tiến tới lui giống như phương trình biểu diễn sự biến thiên chiều dài của một cần piston

2 sinh2kh + 2kh cosh2kh−1

S phương trình hành trình cần xi lanh

H chiều cao sóng k = π số sóng

L chiều dài sóng h độ sâu

Với sóng tuyến tính thì H Các Named Selection này sẽ định nghĩa tên các surface của mô hình để phục vụ quá trình chia lưới và tạo Boundary trên CFX

Sky, Sky1: Miền phía trên

Symmetry: mặt phẳng đối xứng của mô hình

Inflaction: mặt phẳng chung giữa nước, không khí, và vật thể

6.6.2.2 Chia lưới Đây là mô hình không phức tạp nên sử dụng chức năng chia lưới tự động trên

Inflation (tạo lớp gần tường)

Use Automatic Inflation: All Faces in Chosen Named Selection

Các chức năng còn lại để mặc định Và tạo lưới bằng "Generate Mesh"

Hình 6 5: Mô hình chưa lưới trên Ansys

6.6.2.3 Cài đặt các thông số mô hình và đặt điều kiện biên trên modul CFX

- Kích hoạt mô hình phiên bản Beta - Edit/Option/ General/ kích chọn "Enable

Beta Feature", chức năng này dùng với những bài toán có Moving Mesh

+ Khởi động ANSYS Workbench, chọn CFX

+ Double click vào setup để mở môi trường CFX-Pre

+ Trong môi trường CFX-Pre, nhấp chuột vào Edit> Option; chọn Enable Beta Feature, và nhấn OK

Hình 6 6: Khởi động Modul CFX phiên bản β trên Ansys Workbench

Hình 6 7: Xác vị trí hệ tọa độ tại vị trí trọng tâm của chi tiết so với vị trí gốc tọa độ chuẩn

- Thiết lập vật thể cứng CylinderBody: : theo đường dẫn Insert/ Rigid Body Ở Tab static nhập vào các giá trị khối lượng, mô men quán tính

Xác định mô hình và hệ trục toa độ trọng tâm mô hình

Hình 6 8: Cài đặt thông số khối lượng và mô men quán tính chi tiết được mô phỏng Ở Tab Dynamic, bậc tự do chuyển vị theo trục Y, xoay quanh trục Z, giá trị vectơ gia tốc trọng trường trong hệ trục tọa độ

Hình 6 9: Xác định các bậc tự do được khảo sát và vec tơ gia tốc trọng trường

- Thiết lập các điều kiện biên – Boundary:

Hình 6 10: Thiết lập điều kiện biên cho mô hình

Cylinder Boundaries: Điều kiện biên cho cylinder (ống chính)

Basic Settings Boundary Type Wall

Boundary Details Mesh Motion > Option Rigid Body Solution

Mesh Motion > Rigid Body CylinderBody Mass and Momentum > Option No Slip Wall Wall Roughness > Option Smooth Wall

Flapper boundary: điều kiện biên cho tường tạo sóng:

Component Mesh Motion > Displacement > Y Component

Mass and Momentum > Option No Slip Wall FlapPos biểu thức thể hiện chuyển động của Flapper

Womega = sqrt(g*N *tanh(N *10[m] ) ) Điều kiện biên cho đáy miền tạo sóng-Floor

Boundary Details Mesh Motion > Option Unspecified

70 Điều kiện biên cho đáy miền mô phỏng – Floor1

Boundary Details Mesh Motion > Option Stationary Điều kiện biên vùng outlet

Basic Settings Boundary Type Opening

Mass and Momentum > Option Entrainment

Mass and Momentum > Relative Pressure Hypres [1] Fluid Values Boundary Conditions > Air at 25 C > Volume

Zero Gradient Boundary Conditions > Water at 25 C > Volume

Zero Gradient Hypres biểu thức thể hiện áp suất của lưu chất

Hypres = max(0[Pa],(997[kg m^-3]-1.185[kg m^-3])*g*(-y)) Điều kiện biên vùng bên hông miền tạo sóng: side

Location Side Boundary Details Mesh Motion > Option Stationary

Mass And Momentum->option Free Slip Wall Điều kiện biên vùng phía trên miền tạo sóng – sky

Mass And Momentum->option Free Slip Wall Điều kiện biên vùng phía trên miền mô phỏng – Sky1

Mass and Momentum > Relative Pressure 0 Fluid Values Boundary Conditions > Air at 25 C > Volume

Boundary Conditions > Air at 25 C > Volume Fraction > Volume Fraction

Boundary Conditions > Water at 25 C > Volume Fraction -> Option

Boundary Conditions > Air at 25 C > Volume Fraction -> Volume Fraction

0 Đièu kiện biên miền đối xứng – Symmetry

Basic Settings Boundary Type Symmetry

- Thiết lập các biểu thức

Hypres: thể hiện áp suất của nước ở boundary Outlet

FlapPos: thể hiện hành trình dịch chuyển của Flapper

WaterIni : xác định mức nước trong mô hình

Hypres = max(0[Pa],(997[kg m^-3]-1.185[kg m^-3])*g*(-y))

Womega = sqrt(g*N *tanh(N *10[m] ) ) waterIni = max(0,min(1,0.5-0.5*y/0.03[m]))

Mục này chỉ cần chú ý đến "Rigid body control"

Mục này bạn chú ý đến mục "Monitor Points and Expression", thiết lập thêm các Monitor Point là : Cylinder_AngularAz, Cylinder_AngularVz, PowerWz đây chính là giá trị đầu ra cần tính toán

Chú ý đến mục Trn Results

Chú ý áp suất Hypres và Fluid Settings, Volume Fraction của nước là biểu thức waterIni

 Sau khi thiết lập xong Preprocessing, chuyển đến mục Solution,

Quay trở lại môi trường Workbench, chạy Solution bằng cách click chuột phải vào

"solution" chọn edit, hiện ra cửa sổ "define run" và nhấn start run

Hình 6 11: Thao tác tiến hành giải bài toán

 Sau khi phần mềm chạy xong thì bạn chú ý các User Point ở CFX-Solver Manager, muốn lấy đồ thị kết quả ra (công suất, gia tốc và vận tốc góc) thì chỉ cần click chuột phải vào đồ thị, chọn save Picture, có thể ghi lại dạng đồ thị hoặc thông số thì chọn Export Plot data!

Hình 6 12: Đồ thị vận tốc

Hình 6 13: - Đồ thị gia tốc theo thời gian

Hình 6 14 Đồ thị công suất

Hình 6 15: Kết quả mô phỏng chuyển động mô hình

Giới thiệu phần mềm Ansys CFX 14