Mô phỏng giúp mang điện đến Cameroon

Cameroon là một quốc gia Trung Phi trải dài từ Đại Tây Dương đến Hồ Chad, nơi có khoảng 26 triệu người sống trong điều kiện chủ yếu là nông thôn, nhiều nơi không có điện. Ingenieure ohne Grenzen (Các kỹ sư không biên giới)- một tổ chức phi lợi nhuận của Đức chuyên sử dụng kỹ thuật nhằm cải thiện điều kiện sống cho những người có nhu cầu, họ đã sử dụng Ansys Fluent để phát triển một tua bin chạy bằng nước nhằm tạo ra điện ở vùng nông thôn Cameroon.

Tổ chức phi lợi nhuận này được thành lập để giải quyết những thách thức lớn ở các khu vực kém phát triển hơn trên thế giới bằng kỹ thuật. Kể từ khi bắt đầu hoạt động vào năm 2003, họ đã hoàn thành hơn 160 dự án trên toàn thế giới. “Điều đặc biệt ở Cameroon là nó nằm gần đường xích đạo”, Maximillian Falk, một kỹ sư mô phỏng tại nhóm Các kỹ sư không biên giới, người đã trực tiếp làm việc cho dự án này, cho biết: “Có rất nhiều tiềm năng thủy điện – rất nhiều sông và thác nước”.

Lượng nước chảy dồi dào này, ít nhất là trong mùa mưa, đã truyền cảm hứng cho nhóm phát triển một tua-bin thủy điện Kaplan để đặt ở những dòng chảy này. Nước làm quay một cánh quạt tạo ra điện năng. Mô hình này khá đơn giản, tuy nhiên các điều kiện xã hội và môi trường trong nước đã đặt ra những thách thức bổ sung đối với cách thức của các kỹ sư.

Những thách thức của kỹ thuật ở Cameroon

Khi hầu hết chúng ta nghĩ về một ngôi làng, chúng ta hình dung ra một số lượng nhỏ các ngôi nhà được nhóm lại gần nhau. Nhưng ở Cameroon, trong một ngôi làng, khoảng cách giữa các ngôi nhà có thể lên tới 3 hoặc 4km (1.8 đến 2.4 dặm). “Dựa trên những khoảng cách này, bạn nghĩ đâu là phần tốn kém nhất trong lưới điện mà chúng tôi đang cố gắng xây dựng?” Falk hỏi: “Đó chính là dây điện, nó chiếm gần 50% chi phí.”

Xem xét bằng tua bin thường cách nhà đầu tiên khoảng 500 mét đến một km (một phần ba đến hai phần ba dặm) và thiết bị dòng dư phải được kết nối với bốn dây. “Trong trường hợp tốt nhất, bạn cần ít nhất 2 kilometers dây (hơn 1 dặm)”. Falk nói. Vì vậy, họ phải thiết kế cẩn thận. Một vấn đề khác với khoảng cách là lập kế hoạch lắp đặt. Nếu bạn cần mua một cái vặn vít hoặc một số dụng cụ khác, cần mất khoảng 2 ngày để có thể đến thành phố lớn gần nhất.

Giữ thiết kế tua-bin đơn giản, với ít vật liệu nhất có thể là điều quan trọng để dễ dàng bảo trì. Ở đây, Cameroon có một lợi thế độc đáo, đó là nó có một loại gỗ đặc biệt không thấm nước, có thể làm vỏ của trung tâm cánh quạt. “Đó thực sự là một điều rất hay,” Falk nói, “bởi vì bạn có thể đi bộ trong rừng, chặt cây và sử dụng nó cho một số cánh quạt.” Một cánh quạt cần được thay thế hai năm một lần, vì vậy vật liệu sẵn có này giúp việc bảo trì dễ dàng.

Tạo ra điện trong mùa khô

Cameroon trải qua một mùa khô ngắn từ tháng Bảy đến tháng Mười và một mùa khô dài từ tháng Mười Hai đến tháng Năm. Khi các dòng suối và thác nước cạn kiệt và cung cấp lượng nước thấp hơn cho các tua-bin, rất khó để giữ chúng tạo ra điện. Ban đầu, các kỹ sư ít chú ý đến thiết kế lưu vực đầu vào của tua-bin vì nó có vẻ không quan trọng đối với một thiết bị chỉ tạo ra 200 watt. Thiết kế ban đầu chỉ là một hình vuông bằng gỗ ở đầu vào để dẫn nước vào tua-bin.

                                                               

                                                               

Hai trong số các mô phỏng ban đầu, đơn giản hóa.

Falk nói: “Nếu mực nước thấp, sẽ có một dòng xoáy phía sau tua-bin hút không khí vào, và luồng không khí này làm tăng sự xâm thực bên trong tua-bin và thực sự làm suy giảm chất liệu của cánh quạt, nên chúng tôi phải làm cách nào đó để ngăn cản điều này. Tại thời điểm này, chúng tôi không có địa điểm thử nghiệm thích hợp như ở Đức. "

Cách duy nhất để thu thập dữ liệu là nói chuyện với một người nào đó ở Cameroon có quyền truy cập vào một đơn vị thử nghiệm ở đó. Thời gian người đàn ông này đi bộ đến đơn vị xét nghiệm, thực hiện phân tích và gửi kết quả trở lại Đức, đã mất một tuần. Dựa trên những kết quả này, các kỹ sư sẽ đề xuất một sự thay đổi và đợi một tuần nữa – và đây hầu như không phải là một quá trình phát triển hiệu quả.

Tình hình này được cải thiện đáng kể khi Engineers Without Borders có được phần mềm động lực học chất lỏng tính toán Fluent (CFD) và Ansys SpaceClaim, và khi Falk tìm thấy một tài liệu kỹ thuật cũ về tạo xoáy trong tua-bin Kaplan trong tài liệu. Bài báo đề xuất xây dựng một vây phía sau hình trụ trong lưu vực đầu vào để giảm sự đổ xoáy và làm cho dòng chảy nhiều tầng hơn phía trong tua-bin.

Việc sử dụng Fluent để mô phỏng một vây kim loại tấm nhanh chóng cho thấy một lỗ hổng trong giải pháp này: Vây hoạt động với không khí trong các ống dẫn khí xả tại các nhà máy hóa chất, nhưng nó không hoạt động đối với dòng nước. Falk và các đồng nghiệp của ông sau đó bắt đầu sử dụng SpaceClaim để thay đổi vị trí và chiều dài của tấm vây kim loại và Fluent để xác định dòng nước kết quả.

Falk nói: “Chúng tôi thấy rằng chiếc vây này cho phép chúng tôi hướng dòng nước vào phía sau tua-bin. Dòng nước đầu vào đến tua-bin đến từ một hướng, vì vậy các bộ phận của tua-bin ở xa cửa vào sẽ nhận được ít nước hơn so với cửa mở, dẫn đến hiện tượng xâm thực và phát điện không hiệu quả.

 

                                                               

                                                               

Hai hoạt ảnh mô phỏng được cập nhật

 

Sử dụng SpaceClaim và Fluent, họ đã thử nghiệm với góc ở kết thúc của lưu vực. Bằng cách đặt nó ở góc 45 độ so với dòng nước chảy vào, nó hoạt động giống như một vòi phun Venturi, làm tăng tốc độ của nước. Sự thay đổi này cung cấp một dòng nước liên tục hơn đến tất cả các bộ phận của tua-bin cùng một lúc, giảm xâm thực và làm cho nó hoạt động trơn tru hơn nhiều.

Falk nói: “Trước đây chúng tôi chưa nghĩ đến việc thay đổi góc độ - nó đơn giản là kết quả của mô phỏng,”.

COVID và Nội chiến Trì hoãn dự án đến bây giờ

Kỹ sư không biên giới đã cố gắng thực hiện một chuyến đi nhanh đến Cameroon trước khi COVID tấn công, trong đó họ đã lắp đặt bốn máy phát tua-bin 200 watt để cung cấp điện cho dân làng nông thôn. Người ở Cameroon chịu trách nhiệm duy trì hoạt động của các tua-bin trong suốt thời gian hiện tại đang đóng cửa vì COVID, và Cameroon cũng đang ở giữa một cuộc nội chiến, vì vậy rất khó để tiếp tục với dự án tại chỗ.

Nhưng với phần mềm mô phỏng Ansys có sẵn tại Đức nơi họ làm việc, các kỹ sư đã và đang tiếp tục cải tiến thiết kế tua-bin bằng cách chạy các mô phỏng nhằm tăng công suất phát điện lên 350 watt và giải quyết các vấn đề tích tụ phù sa trong tua-bin và các thách thức khác.

Tổ chức kỹ sư không biên giới chỉ được tài trợ bởi các khoản đóng góp, vì vậy nếu bạn muốn xem các dự án khác mà họ đang thực hiện và đóng góp vào nỗ lực của họ, hãy truy cập trang web của họ. Tổ chức này cũng có các chi hội trên khắp thế giới.

Xem video dưới đây để biết thêm thông tin.

Phát triển Tuabin nước cho Cameroon của Ingenieure ohne Grenzenhttps