Luận văn Thạc sĩ Kinh tế: Nghiên cứu tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời

Chia sẻ: ViJiji ViJiji | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được nghiên cứu với mục tiêu nhằm 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kinh tế: Nghiên cứu tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời

i 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
ii 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
iii 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.
iv 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.
v 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
vi 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
vii 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
viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT STT TỪ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ 1 VN Việt Nam 2 NLMT Năng lượng mặt trời 3 EVN HANOI Tổng công ty Điện lực Hà Nội 4 PP PTHH Phương pháp phần tử hữu hạn 5 PP TTHH Phương pháp thể tích hữu hạn DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH STT TỪ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ 1 CFD Computational Fluid Dynamics 2 ANSYS Analysis System 3 FEM Finite element method 4 FVM Finite volume method
ix DANH MỤC BẢNG BIỂU BẢNG BIỂU TÊN BẢNG BIỂU TRANG Những thông số kỹ thuật chính của mô hình Bảng 1.1 3 tháp tại Manzanares Những thông số kỹ thuật chính của mô hình Bảng 3.1 31 tháp tại Manzanares Những thông số kỹ thuật chính của mô hình Bảng 3.2 39 tháp năng lượng 1000m
x 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
xi 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
1 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
2 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.
3 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 Chiều cao tháp 194.6 m Bán kính tháp 5.08 m Bán kính trung bình của mái nhận nhiệt 122.0 m Chiều cao trung bình của mái 1.85 m Số cánh turbine 4 Biên dạng cánh turbine FX W- 151- A Tỉ lệ vận tốc cánh turbine nhận được 1:10 Khả năng gia nhiệt Δ T = 20 K Năng lượng thu được 50kW Vị trí đặt turbine 9m
4 (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.
5 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
6 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.
7 Hình 2. Tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời (Mô hình thực tế tại Manzanares - Tây Ban Nha)
8 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]
9 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]