Thế giới đang chứng kiến sự chuyển mình mạnh mẽ hướng tới các nguồn năng lượng sạch và bền vững. Điện khí hóa, động lực thúc đẩy sự thay đổi trong ngành vận tải và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác, đang ngày càng khẳng định vai trò quan trọng. Ngành công nghiệp ô tô, với sự trỗi dậy của xe điện, đang đi đầu trong cuộc cách mạng này.
Tuy nhiên, tác động của điện khí hóa không chỉ giới hạn ở ngành ô tô mà còn lan rộng ra mọi lĩnh vực công nghiệp trên toàn cầu. Mô phỏng kỹ thuật, một công cụ đắc lực, giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về những lợi ích mà điện khí hóa mang lại cho thiết kế sản phẩm của họ.
Mục Lục
Tương lai của điện khí hóa
Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng, đi kèm với những lo ngại sâu sắc về an ninh năng lượng và các vấn đề môi trường, đã thúc đẩy các chính sách và biện pháp điều tiết mới, đồng thời khơi dậy cuộc cách mạng điện khí hóa.
Nhiều quốc gia đang tích cực đầu tư vào các công nghệ tái tạo tại các nhà máy điện nhằm giảm thiểu lượng khí thải nhà kính, đồng thời đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng cao.
Trong bối cảnh đó, ngành công nghiệp ô tô đã tiên phong trong cuộc cách mạng điện khí hóa. Sự chuyển đổi từ động cơ đốt trong sang các hệ thống truyền động mới, hỗ trợ xe hybrid và xe điện hoàn toàn, đã thu hút sự chú ý và quan tâm của đông đảo người tiêu dùng.
Hiện nay, điện khí hóa đang trên đà tác động đến mọi ngành công nghiệp. Máy bay điện, thiết bị công nghiệp và nhà máy phát điện phân tán ngày càng trở nên phổ biến. Việc điện khí hóa các thiết kế sản phẩm truyền thống đang tạo ra một sự thay đổi lớn, thúc đẩy đầu tư vào nghiên cứu và phát triển (R&D) bền vững, cũng như cải tiến và đổi mới sản phẩm.
Tuy nhiên, những lợi ích này đi kèm với không ít thách thức. Điện khí hóa đòi hỏi các phương pháp kỹ thuật mới, tinh vi, tập trung vào năm lĩnh vực chính liên quan đến thiết kế hệ thống điện:
- Năng lượng điện: Nghiên cứu và phát triển các hệ thống điện hiệu quả.
- Máy điện: Thiết kế và tối ưu hóa động cơ điện và máy phát điện.
- Các nguồn năng lượng: Ứng dụng pin, pin nhiên liệu và các công nghệ lưu trữ năng lượng khác.
- Tích hợp hệ thống cơ điện: Kết hợp các thành phần cơ khí và điện tử để tạo ra hệ thống hoàn chỉnh.
- Phần mềm điều khiển: Phát triển phần mềm điều khiển để quản lý và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Mỗi ứng dụng sẽ đối mặt với những vấn đề kỹ thuật riêng biệt. Tuy nhiên, tất cả các nhóm điện khí hóa đều có chung nhu cầu đổi mới nhanh chóng và hiệu quả trong một hoặc nhiều lĩnh vực này. Các công ty trong mọi ngành công nghiệp đều chịu áp lực 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.
Tiềm năng của mô phỏng trong lĩnh vực điện khí hóa
Mô phỏng kỹ thuật mang đến những giải pháp nhanh chóng, hiệu quả và ít rủi ro. Bằng cách tận dụng các tính năng mô phỏng mạnh mẽ trong quá trình phát triển sản phẩm, các tổ chức kỹ thuật có thể giải quyết những vấn đề phức tạp nhất liên quan đến điện khí hóa và nhanh chóng đưa ra những đổi mới, giúp công ty dẫn đầu thị trường.
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 vẫn đảm bảo an toàn, phạm vi hoạt động, tốc độ và sự thoải mái cho 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.
Ví dụ, các giải pháp ANSYS 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.
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. 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.
Công ty khởi nghiệp Zunum Aero có trụ sở tại Seattle đang 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.
Sự bùng nổ của 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.
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.
Để hỗ trợ khách hàng 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. Những thành công của khách hàng kể trên sẽ truyền cảm hứng để xem xét các tính năng mô phỏng sử dụng trong quá trình điện khí hóa trong doanh nghiệp.
Điện khí hóa, với sự hỗ trợ của các công cụ mô phỏng kỹ thuật tiên tiến, hứa hẹn sẽ mang lại một tương lai phát triển bền vững và thịnh vượng cho thế giới.