Tận dụng lợi ích điện khí hóa mang lại

Thế giới sẽ phát triển và phồn thịnh hơn nhờ vào các nguồn năng lượng sạch và bền vững. Đồng thời, các hệ thống điện khí hóa cũng đang thay đổi quy trình vận chuyển và các ngành công nghiệp. Ngành công nghiệp ô tô đang đi đầu trong quá trình điện khí hóa với sự tập trung vào xe điện.

Tuy nhiên, xu hướng này hiện đang tác động đến mọi ngành công nghiệp khác trên thế giới. Mô phỏng kỹ thuật đang đóng một vai trò quan trọng trong việc giúp các kỹ sư hiểu và nắm bắt những lợi ích của điện khí hóa đối với các thiết kế sản phẩm của riêng họ.

Thế hệ tiếp theo của tất cả các loại xe điện

   "Nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng vọt cùng với những lo ngại về an ninh môi trường và năng lượng đã châm ngòi cho cuộc cách mạng điện khí hóa tiếp theo."

Tương lai của điện khí hóa

    Để đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng - đồng thời giải quyết các mối lo ngại về an ninh môi trường và năng lượng – các chính sách và biện pháp điều tiết mới cùng với đổi mới công nghệ đã châm ngòi cho cuộc cách mạng điện khí hóa tiếp theo.

   Nhiều quốc gia đang đầu tư vào các công nghệ tái tạo ở các nhà máy điện để giảm phát thải nhà kính mà vẫn đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng.

   Ngành công nghiệp ô tô đã tiên phong trong cuộc cách mạng này, thu hút cả sự chú ý và quan tâm của người tiêu dùng bằng cách chuyển từ động cơ đốt trong sang thiết kế hệ thống truyền động mới hỗ trợ xe hybrid (xe lai giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) và xe điện hoàn toàn.

   Tuy nhiên, hiện nay, điện khí hóa đã sẵn sàng tác động đến mọi ngành công nghiệp. Ngày càng có nhiều máy bay điện, thiết bị công nghiệp và nhà máy phát điện phân tán. Việc điện khí hóa các thiết kế sản phẩm truyền thống đang tạo ra một sự thay đổi lớn, dẫn đến đầu tư nghiên cứu và phát triển (R&D) bền vững, cũng như cải tiến và đổi mới sản phẩm.

   Tuy nhiên, những lợi ích này luôn đi kèm với thách thức. Cụ thể, điện khí hóa đòi hỏi các phương pháp kỹ thuật mới tinh vi trong năm lĩnh vực chính liên quan đến thiết kế hệ thống điện, bao gồm:

• Năng lượng điện
• Máy điện
• Các nguồn năng lượng như pin và pin nhiên liệu
• Tích hợp hệ thống cơ điện
• Phần mềm điều khiển

   Mỗi ứng dụng sẽ gặp phải các vấn đề kỹ thuật cụ thể khác nhau. Nhưng tất cả các nhóm điện khí hóa đều có chung nhu cầu đổi mới một trong năm lĩnh vực này một cách nhanh chóng và hiệu quả. Các công ty trong mọi ngành công nghiệp cảm thấy áp lực khi phải tung ra các sản phẩm mới đột phá với các bộ phận chạy bằng điện trước đối thủ cạnh tranh với một mức giá hấp dẫn - và áp lực này đang ngày càng tăng.

Tiềm năng của mô phỏng trong lĩnh vực điện khí hóa

   Mô phỏng kĩ thuật đem lại những giải pháp nhanh chóng, hiệu quả, ít rủi ro. Bằng cách tận dụng các tính năng mô phỏng mạnh mẽ trong quá trình phát triển sản phẩm của mình, các tổ chức kỹ thuật có thể giải quyết được những vấn đề phức tạp nhất liên quan đến điện khí hóa và nhanh chóng đưa ra những đổi mới giúp công ty của họ dẫn đầu thị trường.

  
Năng lượng tái tạo

   Trong khi điện khí hóa sản phẩm sẽ ảnh hưởng đến mọi ngành công nghiệp, một số ngành đang dẫn đầu và đạt được những tiến bộ đáng kể.

   Ngành công nghiệp ô tô đã dành rất nhiều nỗ lực để phát triển một thiết kế hệ thống truyền động điện được áp dụng rộng rãi. Thiết kế một hệ thống truyền động có chi phí thấp, trọng lượng nhẹ, tiết kiệm năng lượng mà lại không làm mất đi độ an toàn, phạm vi, tốc độ, hoặc sự thoải mái của hành khách là một trong những thách thức kỹ thuật quan trọng đối với các nhà sản xuất ô tô.

   Các kỹ sư ô tô cũng đang đầu tư mạnh vào các thiết kế pin và pin nhiên liệu sử dụng các vật liệu và quy trình hóa học mới để tăng sản lượng điện và khả năng lưu trữ, đồng thời giảm thời gian sạc, kích thước và trọng lượng.

   Ngoài thiết kế hệ thống truyền động, các kỹ sư ô tô còn phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật trên toàn bộ chiếc xe, từ hệ thống sưởi / làm mát và thông tin giải trí đến các tính năng quan trọng như bánh lái và phanh. Để đảm bảo tất cả các hệ thống điện này tương tác liền mạch và an toàn, các kỹ sư phải tính đến mọi dòng mã phần mềm điều khiển và mọi hệ thống an toàn chức năng.

   Chỉ mô phỏng kỹ thuật mới có thể giải quyết vấn đề về đa trường vật lý, hiệu suất đa chức năng đủ nhanh chóng để kịp thời đáp ứng thời hạn phát triển. Mô phỏng cũng đảm bảo tất cả các thành phần sẽ hoạt động như mong đợi từ giai đoạn thiết kế ban đầu cho đến khi chúng được tích hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh.  

   Các lợi ích khi sử dụng ANSYS đã đóng góp vào sự thành công của ngành công nghiệp ô tô toàn cầu thông qua mô phỏng ANSYS. Ví dụ, các giải pháp ANSYS gần đây đã giúp các kỹ sư của Volkswagen Motorsport tối ưu hóa hệ thống làm mát pin cho chiếc xe đua chạy hoàn toàn bằng điện của mình, dẫn đến chiến thắng quyết định và lập kỷ lục thế giới mới về hiệu suất xe điện tại Pikes Peak International Hill Climb 2018. 

Thế hệ mới của máy bay điện

   Trong ngành hàng không vũ trụ, các kỹ sư không chỉ phát triển các công nghệ thay thế các hệ thống thủy lực và khí nén hiện có bằng các hệ thống điện tương đương, mà còn cả các hệ thống động cơ điện hoàn toàn.

   Hãy quên những chiếc máy bay mà bạn luôn thấy thường ngày đi. Với động cơ điện, máy bay sẽ có hình dạng hoàn toàn khác. Có thể có nhiều động cơ điện được nhúng trong cánh; tăng cường sử dụng các vật liệu composite nhẹ được gắn với ăng ten và cảm biến dẫn năng lượng thay vì dây dẫn; và hệ thống hạ cánh và di chuyển trên mặt đất bằng điện.

   Để biến tầm nhìn này thành hiện thực, các kỹ sư cần bắt đầu nghiên cứu hiệu suất khí động học, ứng suất cơ học và tối ưu hóa hệ thống điện trong thiết kế máy hoàn toàn mới chưa từng thấy trước đây. Họ cũng cần xem xét tầm quan trọng của phần mềm điều khiển trong việc vận hành tất cả các hệ thống và các thành phần còn lại với nhau một cách an toàn.

   
Bơm điện

   Một lần nữa, mô phỏng cung cấp các phương tiện để nghiên cứu tất cả các vấn đề phức tạp này và dẫn đến những đổi mới thực sự. Chẳng hạn, công ty khởi nghiệp Zunum Aero có trụ sở tại Seattle được thành lập để phát triển một máy bay chạy bằng điện có khả năng cất và hạ cánh tại các sân bay nhỏ, sử dụng cho các chuyến bay ngắn.

   Mô phỏng cho phép các kỹ sư của Zunum hiểu nhanh về cách quạt áp suất thấp, động cơ điện kháng lỗi và bộ điều khiển điện cùng làm việc như một hệ thống trong điều kiện thực tế.

   Khi phát triển điện khí hóa, ngành công nghiệp sản xuất năng lượng toàn cầu cũng đang tự đổi mới. Sự xuất hiện của sản xuất điện phân tán thông qua các nguồn năng lượng tái tạo đã tạo ra một loạt thách thức mới trong sản xuất và phân phối điện.

    Bùng nổ thị trường lưới điện siêu nhỏ (microgrids) là cơ hội cho các kỹ sư thiết kế các hệ thống mới sáng tạo để địa phương có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, cũng như cải tiến các công nghệ hiện tại để lưu trữ và phân phối năng lượng điện này.

   Một trong những thách thức kỹ thuật quan trọng nhất là tối ưu hóa toàn bộ hệ thống sản xuất và phân phối điện, bao gồm môi trường tự nhiên - bởi vì hiệu quả của mỗi hệ thống phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và địa lý cụ thể xung quanh hệ thống đó.

   Ngoài việc xem xét lại hệ thống phát điện và lưới phân tán, cũng cần phải sửa đổi và tối ưu hóa các bộ phận và hệ thống như tuabin gió, cánh tuabin, bộ chuyển đổi và máy phát điện cũng như các thiết bị hạ nguồn như máy bơm nhiệt, thiết bị và máy công nghiệp.

   Bài báo “Duy trì tuổi thọ cho bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời”, cho thấy cách các nhà nghiên cứu tại Đại học Pittsburgh đang chứng minh giá trị của mô phỏng trong việc giải quyết các thách thức kỹ thuật liên quan đến sản xuất điện cục bộ.

   Họ đã tận dụng các tính năng trong ANSYS Twin Builder để nghiên cứu động lực nhiệt độ trong các tấm năng lượng mặt trời khi điều kiện môi trường thay đổi và sự ảnh hưởng đến các đầu ra năng lượng của tấm pin. Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là đảm bảo rằng hệ thống sản phẩm có thể duy trì hiệu suất phù hợp khi đối mặt với những thay đổi môi trường không thể tránh khỏi.

   Các hệ thống và máy móc công nghiệp sử dụng một nguồn năng lượng khổng lồ trên toàn thế giới. Người ta ước tính rằng các máy điện công nghiệp, như máy bơm, tiêu thụ hơn 40% lượng điện toàn cầu được sản xuất ngày nay.

   Thiết kế của các sản phẩm này trong nhiều thật kỷ qua là mục tiêu để đổi mới và cải tiến. Các kỹ sư đang đưa ra các thiết kế động cơ mới, ổ điện, điện tử công suất, ổ cơ điện, hệ thống làm mát, giao diện người dùng và hệ thống điều khiển phần mềm nhúng giúp tối ưu hóa không chỉ các thành phần riêng lẻ này, mà cả mức tiêu thụ và hiệu suất năng lượng của toàn bộ máy.

   Công ty WEG Energy của Brazil là công ty hàng đầu trong việc phát triển tua-bin gió và máy phát điện cho các nhà máy điện. Các kỹ sư của WEG đã sử dụng các giải pháp ANSYS để tiến hành mô phỏng cấu trúc, điện từ và nhiệt của các hệ thống và thành phần riêng lẻ của sản phẩm. WEG đã sẵn sàng để cách mạng hóa thị trường toàn cầu đối với máy móc công nghiệp.

Phát triển điện khí hóa thông qua mô phỏng kỹ thuật

   Khi các thiết kế sản phẩm truyền thống có thêm chức năng điện và khi các nguồn năng lượng mới trở nên khả thi, các kỹ sư phải giải quyết nhiều thách thức kỹ thuật khác nhau. Các thách thức này bao gồm quản lý pin, quản lý nhiệt, giảm tiếng ồn, loại bỏ nhiễu điện từ (EMI), đảm bảo khả năng tương thích điện từ (EMC), hỗ trợ toàn vẹn cấu trúc và giảm thiểu thiệt hại vật lý trong môi trường vận hành thực tế.

   Các kỹ sư cũng phải làm việc để cải thiện hiệu suất, tăng hiệu quả, giảm chi phí và cải thiện độ an toàn khi họ tạo ra và vận hành các thiết bị, vật liệu và quy trình hoàn toàn mới cho máy điện và thiết bị điện tử công suất.

   Khi các thách thức kỹ thuật liên quan đến điện khí hóa trải rộng trên nhiều ngành công nghiệp có độ rộng, độ sâu và độ tinh xảo kỹ thuật khác nhau, mô phỏng kỹ thuật sẽ có ý nghĩa hơn bao giờ hết.

   Ngày nay, các giải pháp mô phỏng đã có sẵn để giải quyết các vấn đề kỹ thuật khó khăn trong năm lĩnh vực chính liên quan đến điện khí hóa là: điện tử công suất, máy điện, nguồn năng lượng, tích hợp hệ thống cơ điện và phần mềm điều khiển.

   
Cấu tạo tua bin gió

   
Môi trường mô phỏng điện khí hóa trong ANSYS

   Để hỗ trợ khách hàng của mình khi họ bắt đầu điện khí hóa sản phẩm, ANSYS cung cấp các giải pháp phần mềm hàng đầu trong các ngành kỹ thuật cơ học, chất lưu và điện từ cần thiết để thực hiện mô phỏng đa trường vật lý với các tính năng mô phỏng cấp hệ thống, phân tích an toàn chức năng, phát triển và kiểm nghiệm phần mềm nhúng.

   Các giải pháp ANSYS cùng với mô phỏng đã hỗ trợ các nhóm phát triển sản phẩm. Do đó, không có gì đáng ngạc nhiên khi rất nhiều đội ngũ kỹ thuật hàng đầu thế giới dựa vào mô phỏng ANSYS để thúc đẩy các quá trình điện khí hóa của họ.

    Mô phỏng kỹ thuật đã chứng minh được vai trò quan trọng trong việc đảm bảo một tương lai năng lượng mới thông qua điện khí hóa. Chúng tôi hy vọng rằng những thành công của khách hàng kể trên sẽ truyền cảm hứng cho bạn để xem xét các tính năng mô phỏng sử dụng trong quá trình điện khí hóa trong doanh nghiệp của mình.

Bài viết này có sự đóng góp của Paolo Colombo, Giám đốc Công nghiệp Toàn cầu, Hàng không Vũ trụ & Quốc phòng, và Sandeep Sovani, Giám đốc Công nghiệp Toàn cầu, Ô tô, tại ANSYS.

Nguồn : ansys.com

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc. " hoặc "Theo www.advantech.vn " nếu bạn muốn phổ biến thông tin này