En este artículo especial, Robert Roe de Scientific Computing World escribe que la simulación HPC proporciona una plataforma para desarrollar avances en las tecnologías de generación de energía.
Vortex Bladeless es un aerogenerador respetuoso con el medio ambiente que no necesita palas.
Mediante el uso de simulación de vanguardia, los ingenieros de software están desarrollando una nueva e innovadora tecnología de energía eólica y aumentando la eficiencia y la durabilidad de los aerogeneradores. La búsqueda de fuentes de energía sostenibles es una de las preocupaciones más acuciantes de la sociedad. El desarrollo de fuentes de energía sostenibles avanzadas ofrece no sólo un aumento de la potencia y la eficiencia de la generación de energía, sino también una alternativa a los combustibles fósiles.
Los recursos de combustibles fósiles son cada vez más escasos, por lo que las fuentes renovables, como la energía eólica y la solar, proporcionan más energía que nunca. El Reino Unido, por ejemplo, se ha fijado el objetivo de que el 20% de su energía total sea producida por fuentes renovables para 2020.
El aumento de la eficiencia de tecnologías como los paneles solares y los aerogeneradores es un reto clave para el éxito de las fuentes de energía renovables, junto con los costes de producción y fabricación.
El uso de software de modelado y simulación ofrece un camino hacia la innovación, ya que la simulación a gran escala puede emplearse para ayudar a diseñar nuevos sistemas y aumentar la eficiencia de las tecnologías existentes para hacerlas más viables económicamente.
David Yáñez, cofundador de la tech-startup española, Vortex Bladeless
En la UK Altair Technology Conference (ATC) 2019, David Yáñez, cofundador de la tech-startup española, Vortex Bladeless, presentó el diseño de la compañía para una nueva tecnología de energía eólica. Una de las características clave de este sistema es la reducción de los elementos mecánicos que pueden desgastarse por la fricción. La empresa desarrolló la tecnología utilizando herramientas CFD proporcionadas por Altair, que le ayudaron a estudiar tanto la interacción fluido-estructura como el comportamiento de los campos magnéticos en el alternador. A continuación, los resultados se comparan con los resultados experimentales obtenidos tanto en el túnel de viento como en entornos de aplicación reales.
Vortex Bladeless es un generador eólico resonante de vibración inducida por vórtices. Aprovecha la energía del viento a partir de un fenómeno de vorticidad llamado desprendimiento de vórtices. El desprendimiento de vórtices es un flujo oscilante que tiene lugar cuando un fluido, como el aire o el agua, pasa por un farol a determinadas velocidades. En mecánica de fluidos, cuando el viento pasa por un cuerpo romo, el flujo se modifica y genera un patrón cíclico de vórtices.
Una vez que la frecuencia de estas fuerzas se acerca lo suficiente a la frecuencia estructural del cuerpo, éste empieza a oscilar y entra en resonancia con el viento. Esto también se conoce como vibración inducida por el vórtice (VIV).
La geometría del mástil del Vortex está diseñada para lograr el máximo rendimiento en función de las velocidades medias del viento observadas. Es capaz de adaptarse muy rápidamente a los cambios de dirección del viento y a las corrientes de aire turbulentas que se observan habitualmente en los entornos urbanos.
La perturbación de la corriente de viento descendente es la razón por la que las turbinas normales deben instalarse a cierta distancia unas de otras. Sin embargo, este no es el caso del sistema VIV, ya que se evita cualquier limitación asociada al «efecto estela». Además, la empresa espera que los dispositivos Vortex funcionen mejor juntos, provocando una retroalimentación y aumentando la velocidad de los vórtices si disponen del espacio libre adecuado a su alrededor, que se calcula que es la mitad de la altura total del dispositivo.
Para los aerogeneradores normales, este espacio libre suele ser cinco veces la altura total del dispositivo.
La tecnología sin aspas consiste en un cilindro fijado verticalmente con una varilla elástica. El cilindro oscila bajo ciertas condiciones de viento, que luego genera electricidad a través de un sistema de alternador.
La resonancia es una gran forma de transferir energía de un fluido a una estructura. Obtenemos una resonancia cuando dos frecuencias están próximas, por ejemplo la frecuencia natural de una estructura y, en este ejemplo, la frecuencia que crean estos vórtices», explicó Yáñez. «En España hoy en día producimos hasta un 20 por ciento de nuestra energía a partir del viento, pero cuando hablamos de la distribución de la energía el rey es el panel solar»
«Estamos diseñando una nueva herramienta para recoger la energía del viento y tratamos de aumentar, el fenómeno de resonancia que aparece», añadió Yáñez.
Las turbinas Bladeless no tienen engranajes, ni aceite, son silenciosas, inofensivas para las aves, de bajo mantenimiento y coste, funcionan por sí mismas y son autónomas, para la generación in situ y la rápida adaptación a los cambios de viento.
Tecnología Vortex
El cilindro exterior del sistema Vortex Bladeless está diseñado para ser en gran medida rígido y tiene la capacidad de vibrar, permaneciendo anclado al vástago inferior. La parte superior del cilindro no está sujeta y proporciona la máxima amplitud de la oscilación. La estructura está construida con resinas reforzadas con fibra de carbono y/o de vidrio, los mismos materiales que se utilizan en las palas de los aerogeneradores convencionales.
La parte superior de la varilla soporta el mástil y su parte inferior está firmemente anclada al suelo. Está construida en polímero reforzado con fibra de carbono, lo que le confiere resistencia a la fatiga y tiene una mínima fuga de energía cuando oscila. El diseño de este sistema de inducción sin aspas es bastante diferente al de una turbina tradicional. En lugar de la habitual torre, góndola y palas, los sistemas Vortex utilizan un único mástil de materiales ligeros sobre una base. Los aerogeneradores tradicionales, como los HAWT (aerogeneradores de eje horizontal) y los VAWT (aerogeneradores de eje vertical), funcionan por rotación, mientras que el dispositivo Vortex Bladeless lo hace por oscilación.
El proceso de desarrollo requiere un examen minucioso del dispositivo y una comprensión de su comportamiento en diferentes condiciones de viento. La resonancia del mástil y los vórtices que se producen cuando el viento pasa por el dispositivo deben tener una frecuencia similar para que se produzca el movimiento de oscilación y se genere energía.
Tenemos que empezar a visualizar nuestro dispositivo y aquí un factor clave es Altair. Para ayudarnos a entender cómo interactúa nuestra estructura con el viento», afirmó Yáñez. Cuando la frecuencia de los vórtices se acerca a la frecuencia de resonancia de nuestro mástil, empezamos a producir energía. Trabajamos mucho con AcuSolve y con HyperMesh para construir esta malla».
La presentación describió el desarrollo de la malla para el mástil, que descompone la forma en una serie de celdas. Yáñez describió cómo el crecimiento de estas células es muy importante para entender si los resultados de las pruebas por ordenador pueden verificarse en una prueba del mundo real. Necesitamos saber lo cerca que estamos de las condiciones reales y con AcuSolve y FieldView somos capaces de entender los resultados, lo que nos permite transportar el conocimiento que hemos obtenido con esta simulación a nuestros dispositivos», continuó Yáñez.
Las pruebas iniciales encontraron algunos problemas con el diseño que el equipo fue capaz de superar con un poco de pensamiento fuera de la caja. Vimos que el rendimiento de nuestro dispositivo no era el esperado. Un día me puse a estudiar otra área de la ciencia en la que se estudiaban los vórtices creados por las colas de los peces y en las alas de los pájaros», comenta Yáñez. Tomé sus fórmulas y las mezclé con la fórmula que utilizan los ingenieros de estructuras, y obtuvimos una nueva fórmula que nos llevó a desarrollar otra geometría. Con esta nueva geometría aumentamos el rendimiento».
Los cambios en el diseño del mástil permitieron a los ingenieros aumentar el tamaño del mismo, avanzando en el desarrollo hacia un sistema de tamaño completo de producción. «Hace unos meses pusimos en marcha cinco dispositivos de 2,5 metros de altura que tienen más que serían adecuados para producir energía en los hogares. Pero hemos visto en condiciones reales que estos dispositivos son capaces de adaptarse muy rápidamente a los cambios de dirección y velocidad del viento porque no tenemos ningún tipo de giro o impulso», concluye Yáñez.
Si bien las simulaciones bidimensionales son útiles, el VIV es un fenómeno 3D y como tal requiere las simulaciones CFD a gran escala que han desarrollado Yáñez y sus colegas. Al tratarse de una tecnología nueva, hay que trabajar mucho para garantizar que los dispositivos se comporten como se espera y produzcan energía con la eficiencia necesaria. Esto significa crear nuevos modelos que deben ser validados. Estas simulaciones en 3D se basan en el número de Reynolds, una importante cantidad adimensional en mecánica de fluidos que se utiliza para ayudar a predecir los patrones de flujo en diferentes situaciones de flujo de fluidos
Estas simulaciones requieren una gran cantidad de recursos computacionales, por lo que los ingenieros han estado pareterando con Altair y el Barcelona Supercomputing Center (BSC) para encontrar la mejor manera de lograr resultados óptimos de una manera asequible.
Simular el crecimiento
Otra razón para la simulación a gran escala de los aerogeneradores es mantener la competitividad en un mercado cada vez más difícil. Se espera que el mercado mundial de las energías renovables crezca a una tasa compuesta anual del 13,1% desde 2018 hasta 2024, según Envision Intelligence. Este enorme potencial de crecimiento impulsa la competencia. Como resultado, las empresas están buscando formas de estar un paso por delante de los competidores.
A principios de 2019 Ansys anunció los detalles de su asociación con WEG, una empresa de ingeniería brasileña que busca aprovechar el crecimiento del sector energético. La empresa eligió Ansys debido a su «simulación omnipresente» que permite a las empresas iterar e innovar rápidamente en todos los aspectos del ciclo de vida de un diseño.
En una entrada del blog, Ahmad Haidari, director global de la industria de Ansys, señaló que «WEG eligió la simulación omnipresente de Ansys para evaluar el rendimiento estructural, electromagnético, térmico y de fluidos de todos sus productos».
Los ingenieros de WEG están desarrollando un aerogenerador de accionamiento directo de 4mW con requisitos de alta eficiencia y bajo mantenimiento. Al duplicar casi la potencia de su actual plataforma de 2,1mW, WEG espera que su nuevo diseño esté a la altura de la creciente demanda. Los ingenieros utilizan diversas herramientas de simulación omnicanal para probar y desarrollar sus diseños a lo largo de su ciclo de vida», prosigue Haidari. Los ingenieros de este proyecto utilizaron varias herramientas de Ansys, como Ansys Mechanical, Ansys Maxwell y Ansys DesignXplorer.
El aumento de potencia que supone duplicar el rendimiento de un aerogenerador provoca una gran carga dinámica en los componentes estructurales. Los ingenieros de WEG utilizan Ansys Mechanical para evaluar los distintos casos de carga en toda la estructura.
«El adaptador de la parte superior de la góndola, que se asienta en la parte superior de la torre de hormigón y soporta el peso de las palas de la turbina montadas en su parte delantera, debe soportar cargas extremas y, al mismo tiempo, evitar la deformación plástica y el deslizamiento. Los ingenieros utilizan la simulación estructural para evaluar las tensiones en el cuello y en los puntos de soldadura. Para completar su análisis de fallos por fatiga, los ingenieros utilizan Ansys nCode DesignLife», añade Haidari.
Los puntos críticos de soldadura en toda la estructura son regiones potenciales de debilidad estructural. Utilizando Mechanical y DesignXplorer, los ingenieros de WEG evalúan estos puntos para asegurarse de que pueden soportar las mayores cargas que experimentarían», continuó Haidari.
Los ingenieros de WEG utilizan Ansys Maxwell para simular los campos electromagnéticos de baja frecuencia producidos por la turbina durante su funcionamiento normal. Estas simulaciones evalúan el par, la tensión inducida, las pérdidas y la saturación del núcleo magnético.
«La minimización de las corrientes armónicas entre el generador y el convertidor de potencia es fundamental para un rendimiento seguro y óptimo del aerogenerador. Para mantener una distorsión armónica total baja, los ingenieros utilizaron simulaciones de Maxwell para analizar el posicionamiento de los imanes, determinar la tensión generada y evaluar el espectro armónico», declaró Haidari.
«La simulación omnipresente se ha introducido en todos los aspectos del diseño de los aerogeneradores de WEG. Lo mismo puede decirse de otros productos fabricados por WEG, como sus turbogeneradores e hidrogeneradores».
Esta historia aparece aquí como parte de un acuerdo de publicación cruzada con Scientific Computing World.
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