I dette særlige gæsteindslag skriver Robert Roe fra Scientific Computing World, at HPC-simulering giver en platform til udvikling af fremskridt inden for energiproduktionsteknologier.
Vortex Bladeless er en miljøvenlig aerogenerator, der ikke har brug for vinger.
Gennem brug af avanceret simulering udvikler softwareingeniører innovativ ny vindenergiteknologi og øger vindmøllers effektivitet og holdbarhed. Bestræbelserne på at finde bæredygtige energikilder er et af de mest presserende problemer, som samfundet står over for. Udviklingen af avancerede bæredygtige energikilder giver ikke kun en forøgelse af energiproduktionens effekt og effektivitet, men også et alternativ til fossile brændstoffer.
Fossile brændstofressourcer bliver mere og mere knappe, og derfor leverer vedvarende energikilder som vind- og solenergi mere strøm end nogensinde før. Det Forenede Kongerige har f.eks. sat sig som mål, at 20 % af dets samlede energi skal produceres af vedvarende energikilder inden 2020.
En forbedring af effektiviteten af teknologier som solpaneler og vindmøller er sammen med produktions- og fremstillingsomkostningerne en af de vigtigste udfordringer for vedvarende energikilders succes.
Anvendelsen af modellerings- og simuleringssoftware giver mulighed for innovation, da simulering i stor skala kan anvendes til at hjælpe med at designe nye systemer og øge effektiviteten af eksisterende teknologier for at gøre dem mere økonomisk levedygtige.
David Yáñez, medstifter af det spanske tech-startup Vortex Bladeless
På den britiske Altair Technology Conference (ATC) 2019 præsenterede David Yáñez, medstifter af det spanske tech-startup Vortex Bladeless, virksomhedens design til en ny vindenergiteknologi. Et af de vigtigste kendetegn ved dette system er reduktionen af mekaniske elementer, der kan blive slidt af friktion. Virksomheden udviklede teknologien ved hjælp af CFD-værktøjer fra Altair, som hjalp virksomheden med at studere både interaktionen mellem væske og struktur og opførslen af magnetfelterne i generatoren. Resultaterne er derefter sammenlignet med eksperimentelle resultater, der er opnået både i vindtunnel og i virkelige anvendelsesmiljøer.
Vortex Bladeless er en vortex-induceret vibrationsresonant vindgenerator. Den udnytter vindenergi fra et vorticitetsfænomen kaldet vortex shedding. Vortex shedding er en svingende strømning, der finder sted, når en væske som f.eks. luft eller vand strømmer forbi en blufærdighed med bestemte hastigheder. I væskemekanikken ændres strømningen, når vinden passerer gennem et stumt legeme, og den genererer et cyklisk mønster af hvirvler.
Når frekvensen af disse kræfter er tæt nok på legemets strukturelle frekvens, begynder legemet at svinge og går i resonans med vinden. Dette er også kendt som vortexinduceret vibration (VIV).
Vortex’ mastegeometri er designet til at opnå maksimal ydeevne baseret på de gennemsnitlige observerede vindhastigheder. Den er i stand til at tilpasse sig meget hurtigt til ændringer i vindretningen og turbulente luftstrømme, der almindeligvis observeres i bymiljøer.
Forstyrrelsen af vindstrømmen nedstrøms er grunden til, at almindelige møller skal installeres i en vis afstand til hinanden. Dette er imidlertid ikke tilfældet for VIV-systemet, da enhver begrænsning i forbindelse med “kølvandseffekten” undgås. Desuden forventer virksomheden, at Vortex-enhederne vil arbejde bedre sammen og forårsage feedback og øge hvirvelstrømmenes hastighed, hvis de har det rette frie rum omkring dem, som anslås at være halvdelen af enhedens samlede højde.
For almindelige vindmøller er dette frie rum normalt fem gange enhedens samlede højde.
Den bladløse teknologi består af en cylinder, der er fastgjort lodret med en elastisk stang. Cylinderen svinger under visse vindforhold, som derefter genererer elektricitet gennem et generatorsystem.
Resonans er en fantastisk måde at overføre energi fra en væske til en struktur på. Vi opnår en resonans, når to frekvenser ligger tæt på hinanden, f.eks. en strukturs egenfrekvens og, i dette eksempel, den frekvens, der skabes af disse hvirvler,” forklarede Yáñez. “I Spanien producerer vi i dag så meget som 20 procent af vores energi fra vinden, men når vi taler om fordelingen af energi, er kongen solpanelet.”
“Vi er ved at designe et nyt værktøj til at indsamle energi fra vinden, og vi har forsøgt at øge, det resonansfænomen, der opstår,” tilføjede Yáñez.
Bladløse møller er gearløse, olieløse, lydløse, uskadelige for fugle, har lav vedligeholdelse og lave omkostninger, er selvkørende og standalone, til produktion på stedet og hurtig tilpasning til vindændringer.
Vortex-teknologi
Den ydre cylinder i Vortex Bladeless-systemet er designet til at være stort set stiv og har evnen til at vibrere, idet den forbliver forankret til bundstangen. Den øverste del af cylinderen er ikke fastlåst og giver den maksimale amplitude af svingningen. Strukturen er bygget af harpiks forstærket med kulstof- og/eller glasfibre, de samme materialer, som anvendes i konventionelle vindmøllevinger.
Stangens top støtter masten, og dens bund er solidt forankret i jorden. Den er bygget af kulfiberforstærket polymer, som giver en træthedsbestandighed og har en minimal energilækage ved svingning. Designet af dette bladløse induktionssystem er helt anderledes end en traditionel turbine. I stedet for det sædvanlige tårn, gondol og vinger anvender Vortex-systemerne en enkelt mast af letvægtsmaterialer over en base. Traditionelle vindmøller som HAWT (horisontalaksevindmøller) og VAWT (vertikalaksevindmøller) fungerer ved rotation, hvor Vortex Bladeless-enheden fungerer ved svingning.
Udviklingsprocessen kræver en omhyggelig undersøgelse af enheden og en forståelse af dens opførsel under forskellige vindforhold. Mastens resonans og de hvirvler, der opstår, når vinden passerer hen over anordningen, skal have samme frekvens, for at svingningsbevægelsen kan opstå og generere energi.
Vi skal begynde at visualisere vores anordning, og her er Altair en nøglefaktor. For at hjælpe os med at forstå, hvordan vores struktur interagerer med vinden,” erklærede Yáñez. Når hvirvlernes frekvens er tæt på vores masts resonansfrekvens, begynder vi at producere energi. Vi arbejder meget med AcuSolve og med HyperMesh for at opbygge dette net.”
Præsentationen beskrev udviklingen af net til masten, som opdeler formen i et antal celler. Yáñez beskrev, hvordan væksten af disse celler er meget vigtig for at forstå, om resultaterne af computertestningen kan verificeres i en test i den virkelige verden. “Vi skal vide, hvor tæt vi er på de virkelige forhold, og med AcuSolve og FieldView er vi i stand til at forstå resultaterne, hvilket gør det muligt for os at overføre den viden, vi har opnået med denne simulering, til vores enheder,” fortsatte Yáñez.
Den første afprøvning afslørede nogle problemer med designet, som holdet var i stand til at overvinde med noget ud af boksen-tænkning. ‘Vi så, at ydelsen af vores enhed ikke var, som vi forventede. En dag begyndte jeg at studere et andet område, som var et videnskabeligt område, hvor man studerede de hvirvler, der skabes i fiskens haler og i fuglenes vinger”, kommenterer Yáñez. “Jeg tog deres formler og blandede dem med den formel, som strukturingeniører bruger, og vi fik en ny formel, som fik os til at udvikle en anden geometri. Med denne nye geometri øgede vi vores ydeevne.’
Den ændrede udformning af masten gjorde det muligt for ingeniørerne at øge mastens størrelse og dermed fremme udviklingen hen imod et system i fuld produktionsstørrelse. “For et par måneder siden begyndte vi fem enheder med en højde på 2,5 meter, der har mere, som ville være velegnet til at producere energi i hjemmene. Men vi så under virkelige forhold, at disse enheder er i stand til at tilpasse sig meget hurtigt til ændringer i vindretningen og -hastigheden, fordi vi ikke har nogen form for spin eller momentum,” konkluderede Yáñez.
Mens todimensionale simuleringer er nyttige, er VIV et 3D-fænomen, og som sådan kræver det de CFD-simuleringer i stor skala, som Yáñez og hans kolleger har udviklet. Da der er tale om en ny teknologi, skal der gøres et stort stykke arbejde for at sikre, at enhederne opfører sig som forventet og producerer energi med den nødvendige effektivitet. Det betyder, at der skal oprettes nye modeller, som skal valideres. Disse 3D-simuleringer er baseret på Reynoldstallet, en vigtig dimensionsløs størrelse inden for væskemekanikken, der bruges til at hjælpe med at forudsige strømningsmønstre i forskellige væskestrømningssituationer
Disse simuleringer kræver en stor mængde beregningsressourcer, så ingeniørerne har pareteret med Altair og Barcelona Supercomputing Center (BSC) for at finde den bedste måde at opnå optimale resultater på en overkommelig måde.
Simulering af vækst
En anden grund til simulering af vindmøller i stor skala er at forblive konkurrencedygtig på et stadig vanskeligere marked. Det globale marked for vedvarende energi forventes ifølge Envision Intelligence at vokse med 13,1 procent om året med en sammensat rente fra 2018 til 2024. Dette enorme vækstpotentiale driver konkurrencen. Derfor søger virksomhederne efter måder at være et skridt foran konkurrenterne på.
Tidligere i 2019 annoncerede Ansys detaljer om sit partnerskab med WEG, en brasiliansk ingeniørvirksomhed, der ønsker at drage fordel af væksten i energisektoren. Virksomheden valgte Ansys på grund af dets ‘pervasive simulation’, som gør det muligt for virksomheder at iterere og innovere hurtigt på tværs af alle aspekter af en designlivscyklus.
I et blogindlæg bemærkede Ahmad Haidari, global branchedirektør hos Ansys, at “WEG valgte Ansys’ gennemgribende simulering til at vurdere den strukturelle, elektromagnetiske, termiske og flydende ydeevne for alle sine produkter.”
WEG’s ingeniører er ved at udvikle en 4mW vindmølle med direkte drev med høj effektivitet og lave vedligeholdelseskrav. Ved næsten at fordoble ydelsen fra den nuværende 2,1 1mW-platform håber WEG, at det nye design vil kunne holde trit med de stigende krav. Ingeniørerne bruger en række forskellige gennemgående simuleringsværktøjer til at teste og udvikle deres design i hele deres livscyklus”, fortsætter Haidari. Ingeniørerne i dette projekt benyttede sig af flere Ansys-værktøjer, herunder Ansys Mechanical, Ansys Maxwell og Ansys DesignXplorer.
Den øgede effekt, der er forbundet med fordoblingen af en vindmølles ydeevne, medfører en høj dynamisk belastning af de strukturelle komponenter. WEG-ingeniørerne bruger Ansys Mechanical til at evaluere de forskellige belastningstilfælde i hele strukturen.
“Adapteren på toppen af tårnet i nacellen, som sidder oven på betontårnet og bærer vægten af de møllevinger, der er monteret på dens forside, skal modstå ekstreme belastninger og samtidig undgå plastisk deformation og glidning. Ingeniørerne bruger strukturel simulering til at vurdere spændinger ved halsen og ved svejsepunkterne. For at gennemføre deres analyse af udmattelsesfejl bruger ingeniørerne Ansys nCode DesignLife,” tilføjede Haidari.
Kritiske svejsepunkter i hele strukturen er potentielle områder med strukturelle svagheder. Ved hjælp af Mechanical og DesignXplorer evaluerer WEG-ingeniørerne disse punkter for at sikre, at de kan modstå de største belastninger, de vil opleve,” fortsætter Haidari.
WEG-ingeniørerne bruger Ansys Maxwell til at simulere de lavfrekvente elektromagnetiske felter, der produceres af turbinen under normal drift. Disse simuleringer evaluerer drejningsmoment, induceret spænding, tab og mætning af den magnetiske kerne.
“Minimering af harmoniske strømme mellem generatoren og strømkonverteren er afgørende for sikker og optimal vindmølleydelse. For at opretholde en lav, total harmonisk forvrængning brugte ingeniørerne Maxwell-simuleringer til at analysere magnetpositionering, bestemme den genererede spænding og vurdere det harmoniske spektrum,” udtalte Haidari.
“Gennemgribende simulering har fundet vej ind i alle aspekter af designet af WEG’s vindmøller. Det samme kan siges om WEG’s andre produkter som f.eks. dets turbogeneratorer og hydrogengeneratorer.”
Denne historie vises her som en del af en cross-publishing-aftale med Scientific Computing World.
Abonner på vores insideHPC-nyhedsbrev