Tässä erikoisvierailussa Robert Roe Scientific Computing World -lehden toimittajasta kirjoittaa, että HPC-simulointi tarjoaa alustan energiantuotantotekniikoiden edistykselliselle kehittämiselle.
Vortex Bladeless on ympäristöystävällinen aerogeneraattori, joka ei tarvitse lapoja.
Suippuluokan simuloinnin avulla ohjelmistosuunnittelijat kehittävät uutta innovatiivista tuulivoimateknologiaa ja lisäävät tuuliturbiinien hyötysuhdetta ja kestävyyttä. Pyrkimys löytää kestäviä energialähteitä on yksi yhteiskunnan kiireellisimmistä huolenaiheista. Kehittyneiden kestävien energialähteiden kehittäminen tarjoaa energiantuotannon tehon ja tehokkuuden lisäämisen lisäksi myös vaihtoehdon fossiilisille polttoaineille.
Fossiilisten polttoaineiden resurssit käyvät yhä niukemmiksi, joten uusiutuvista energialähteistä, kuten tuuli- ja aurinkoenergiasta, saadaan enemmän tehoa kuin koskaan ennen. Esimerkiksi Iso-Britannia on asettanut tavoitteeksi, että 20 prosenttia sen kokonaisenergiasta tuotetaan uusiutuvilla energialähteillä vuoteen 2020 mennessä.
Aurinkopaneelien ja tuuliturbiinien kaltaisten tekniikoiden hyötysuhteen parantaminen on tuotanto- ja valmistuskustannusten ohella uusiutuvien energialähteiden menestyksen keskeinen haaste.
Mallinnus- ja simulointiohjelmistojen käyttö tarjoaa väylän kohti innovointia, sillä laajamittaista simulointia voidaan käyttää apuna uusien järjestelmien suunnittelussa ja nykyisten teknologioiden tehokkuuden lisäämisessä, jotta ne olisivat taloudellisesti kannattavampia.
David Yáñez, espanjalaisen teknologia-alan startup-yrityksen Vortex Bladelessin toinen perustaja
Britannian Altair Technology Conference (ATC) 2019 -konferenssissa espanjalaisen teknologia-alan startup-yrityksen Vortex Bladelessin toinen perustaja David Yáñez esitteli yrityksen suunnittelemaa uutta tuulivoimateknologiaa. Yksi tämän järjestelmän tärkeimmistä ominaisuuksista on kitkan kuluttamien mekaanisten elementtien vähentäminen. Yritys kehitti tekniikan Altairin tarjoamien CFD-työkalujen avulla, jotka auttoivat yritystä tutkimaan sekä nesteen ja rakenteen vuorovaikutusta että generaattorin magneettikenttien käyttäytymistä. Tuloksia verrataan sitten kokeellisiin tuloksiin, jotka on saatu sekä tuulitunnelissa että todellisissa sovellusympäristöissä.
Vortex Bladeless on pyörteen aiheuttaman värähtelyn resonoiva tuuligeneraattori. Se valjastaa tuulienergian pyörteisyyden ilmiöstä, jota kutsutaan pyörteen irtoamiseksi. Vortex shedding on värähtelevä virtaus, joka tapahtuu, kun neste, kuten ilma tai vesi, virtaa tietyn nopeuden ohi bluffin ohi. Nestemekaniikassa tuulen kulkiessa tylpän kappaleen läpi virtaus muuttuu ja synnyttää pyörteiden syklisen kuvion.
Kun näiden voimien taajuus on tarpeeksi lähellä kappaleen rakennetaajuutta, kappale alkaa värähtelemään ja joutuu tuulen kanssa resonanssiin. Tätä kutsutaan myös pyörteen aiheuttamaksi värähtelyksi (VIV, vortex induced vibration).
Vortexin maston geometria on suunniteltu siten, että saavutetaan maksimaalinen suorituskyky havaittujen keskimääräisten tuulennopeuksien perusteella. Se pystyy sopeutumaan hyvin nopeasti tuulen suunnan muutoksiin ja turbulenttisiin ilmavirtauksiin, joita yleisesti havaitaan kaupunkiympäristöissä.
Tuulivirtauksen aiheuttaman häiriön vuoksi tavalliset turbiinit on asennettava tietylle etäisyydelle toisistaan. Näin ei kuitenkaan ole VIV-järjestelmässä, koska kaikki ”aaltovaikutukseen” liittyvät rajoitukset vältetään. Lisäksi yritys odottaa Vortex-laitteiden toimivan paremmin yhdessä, aiheuttavan takaisinkytkentää ja lisäävän pyörteiden nopeutta, jos niiden ympärillä on sopivasti vapaata tilaa, jonka arvioidaan olevan puolet laitteen kokonaiskorkeudesta.
Säännöllisissä tuulivoimaloissa tämä vapaa tila on tavallisesti viisinkertainen laitteen kokonaiskorkeuteen verrattuna.
Laipaton tekniikka koostuu sylinteristä, joka on kiinnitetty pystysuoraan elastisella tangolla. Sylinteri värähtelee tietyissä tuuliolosuhteissa, jolloin se tuottaa sähköä vaihtovirtageneraattorijärjestelmän kautta.
Resonanssi on erinomainen tapa siirtää energiaa nesteestä rakenteeseen. Saamme aikaan resonanssin, kun kaksi taajuutta on lähellä toisiaan, esimerkiksi rakenteen ominaistaajuus ja tässä esimerkissä näiden pyörteiden luoma taajuus, Yáñez selitti. ”Espanjassa tuotamme nykyään jopa 20 prosenttia energiastamme tuulesta, mutta kun puhumme energian jakelusta, kuningas on aurinkopaneeli.”
”Suunnittelemme uutta välinettä, jolla voimme kerätä energiaa tuulesta, ja yritimme lisätä, resonanssi-ilmiötä, joka ilmenee”, Yáñez lisäsi.
Lapattomat turbiinit ovat vaihteettomia, öljyttömiä, äänettömiä, vaarattomia linnuille, huolto- ja kustannustehottomia, itsekäyttäviä ja itsenäisiä, paikan päällä tapahtuvaan tuotantoon ja nopeaan sopeutumiseen tuulen muutoksiin.
Vortex-tekniikka
Vortex Bladeless -järjestelmän ulkosylinteri on suunniteltu pitkälti jäykäksi, ja se kykenee värähtelemään pysyen kuitenkin edelleen kiinnitettynä pohjatankoon. Sylinterin yläosa on jäykistämätön ja tarjoaa värähtelyn suurimman amplitudin. Rakenne on rakennettu hiili- ja/tai lasikuidulla vahvistetuista hartseista, samoista materiaaleista, joita käytetään tavanomaisissa tuuliturbiinien siivissä.
Tangon yläosa tukee mastoa ja sen alaosa on ankkuroitu tiukasti maahan. Se on rakennettu hiilikuituvahvisteisesta polymeeristä, joka takaa väsymiskestävyyden ja jonka energiavuoto värähtelyn aikana on minimaalinen. Tämän siivettömän induktiojärjestelmän rakenne eroaa huomattavasti perinteisestä turbiinista. Tavanomaisen tornin, konepellin ja siipien sijasta Vortex-järjestelmissä käytetään yhtä ainoaa kevyistä materiaaleista valmistettua mastoa alustan päällä. Perinteiset tuuliturbiinit, kuten HAWT (vaaka-akseliset tuuliturbiinit) ja VAWT (pystyakseliset tuuliturbiinit), toimivat pyörimällä, kun taas Vortex Bladeless -laite toimii värähtelemällä.
Kehitysprosessi edellyttää laitteen huolellista tutkimista ja sen käyttäytymisen ymmärtämistä erilaisissa tuuliolosuhteissa. Maston resonanssin ja pyörteiden, jotka syntyvät tuulen kulkiessa laitteen yli, on oltava samataajuisia, jotta värähtelyliike voi tapahtua ja tuottaa energiaa.
Meidän on alettava visualisoida laitettamme, ja tässä yksi keskeinen tekijä on Altair. Se auttaa meitä ymmärtämään, miten rakenteemme on vuorovaikutuksessa tuulen kanssa”, Yáñez totesi. Kun pyörteiden taajuus on lähellä mastomme resonanssitaajuutta, alamme tuottaa energiaa. Työskentelemme paljon AcuSolven ja HyperMeshin kanssa rakentaaksemme tämän verkon.”
Esityksessä kuvattiin maston verkon kehittämistä, jossa muoto jaetaan useisiin soluihin. Yáñez kuvaili, kuinka näiden solujen kasvu on erittäin tärkeää, jotta voidaan ymmärtää, voidaanko tietokonetestien tulokset todentaa todellisessa testissä. ”Meidän on selvitettävä, kuinka lähellä todellisia olosuhteita olemme, ja AcuSolven ja FieldViewin avulla pystymme ymmärtämään tuloksia, minkä ansiosta voimme siirtää simuloinnilla saamamme tiedon laitteisiimme”, Yáñez jatkoi.
Alustavissa testeissä havaittiin joitain suunnitteluun liittyviä ongelmia, jotka tiimi pystyi ratkaisemaan hieman uudenlaisella ajattelulla. ’Huomasimme, että laitteemme suorituskyky ei ollut sitä, mitä odotimme. Eräänä päivänä aloin tutkia toista aluetta, joka oli tieteenala, jossa tutkittiin kalojen hännissä ja lintujen siivissä syntyviä pyörteitä”, Yáñez kommentoi. ”Otin heidän kaavansa ja sekoitin ne rakennusinsinöörien käyttämään kaavaan, ja saimme uuden kaavan, joka johti meidät kehittämään toisenlaisen geometrian. Tällä uudella geometrialla lisäsimme suorituskykyämme.”
Maston suunnitteluun tehtyjen muutosten ansiosta insinöörit pystyivät kasvattamaan maston kokoa, mikä edisti kehitystä kohti täyden tuotantokoon järjestelmää. ”Muutama kuukausi sitten aloitimme viisi 2,5 metrin korkuista laitetta, joissa on enemmän, jotka soveltuisivat energian tuottamiseen kodeissa. Mutta näimme todellisissa olosuhteissa, että nämä laitteet pystyvät sopeutumaan hyvin nopeasti tuulen suunnan ja nopeuden muutoksiin, koska meillä ei ole minkäänlaista pyörimistä tai vauhtia”, Yáñez totesi.”
Kaksiulotteiset simulaatiot ovat hyödyllisiä, mutta VIV on 3D-ilmiö, ja sellaisena se vaatii Yáñezin ja hänen kollegoidensa kehittämiä laajamittaisia CFD-simulaatioita. Koska kyseessä on uusi tekniikka, on tehtävä paljon työtä sen varmistamiseksi, että laitteet käyttäytyvät odotetulla tavalla ja tuottavat energiaa vaaditulla tehokkuudella. Tämä tarkoittaa uusien mallien luomista, jotka on validoitava. Nämä 3D-simuloinnit perustuvat Reynoldsin lukuun, joka on tärkeä dimensioton suure nestemekaniikassa ja jota käytetään apuna ennustettaessa virtausmalleja erilaisissa nestevirtaustilanteissa
Tällaiset simuloinnit vaativat paljon laskentaresursseja, joten insinöörit ovat vertailleet Altairin ja Barcelonan supertietokonekeskuksen (Barcelona Supercomputing Center (BSC)) kanssa löytääkseen parhaan tavan saada aikaan optimaalisia tuloksia edullisesti.
Kasvun simulointi
Toinen syy tuulivoimaloiden laajamittaiseen simulointiin on kilpailukyvyn säilyttäminen yhä vaikeammilla markkinoilla. Envision Intelligencen mukaan maailmanlaajuisten uusiutuvien energialähteiden markkinoiden odotetaan kasvavan 13,1 prosentin vuotuisella yhdysvauhdilla vuodesta 2018 vuoteen 2024. Tämä valtava kasvupotentiaali lisää kilpailua. Tämän seurauksena yritykset etsivät keinoja pysyä askeleen edellä kilpailijoita.
Aiemmin vuonna 2019 Ansys julkisti yksityiskohtia kumppanuudestaan brasilialaisen insinööriyrityksen WEG:n kanssa, joka pyrkii hyödyntämään energia-alan kasvua. Yritys valitsi Ansysin sen ”läpäisevän simuloinnin” vuoksi, jonka avulla yritykset voivat iteroida ja innovoida nopeasti suunnittelun elinkaaren kaikilla osa-alueilla.
Blogikirjoituksessaan Ahmad Haidari, Ansysin globaali teollisuusjohtaja, totesi, että ”WEG valitsi Ansysin läpäisevän simuloinnin arvioidakseen kaikkien tuotteidensa rakenteellista, sähkömagneettista, lämpö- ja nestesuorituskykyä.”
WEG:n insinöörit kehittävät 4 mW:n suorakäyttöistä tuuliturbiineja, joilla on korkeat hyötysuhdetasot ja vähäiset huoltovaatimukset. WEG toivoo uuden rakenteensa pysyvän kasvavien vaatimusten tasalla, sillä se lähes kaksinkertaistaa nykyisen 2,1 mW:n alustansa tehon. Insinöörit käyttävät erilaisia läpäiseviä simulointityökaluja testatakseen ja kehittääkseen suunnitelmiaan koko niiden elinkaaren ajan”, Haidari jatkaa. Tässä projektissa insinöörit käyttivät useita Ansys-työkaluja, kuten Ansys Mechanicalia, Ansys Maxwelliä ja Ansys DesignXploreria.
Tuuliturbiinin tehon kaksinkertaistamiseen liittyvä lisääntynyt teho aiheuttaa suurta dynaamista kuormitusta rakenneosiin. WEG:n insinöörit käyttävät Ansys Mechanical -ohjelmaa arvioidakseen erilaisia kuormitustapauksia koko rakenteessa.
”Konepellin tornin yläosan sovittimen, joka istuu betonitornin päällä ja kantaa sen etupuolelle asennettujen turbiinin lapojen painon, on kestettävä äärimmäisiä kuormituksia ja samalla vältettävä plastista muodonmuutosta ja liukumista. Insinöörit käyttävät rakennesimulointia arvioidakseen jännityksiä kaulassa ja hitsauskohdissa. Väsymisvika-analyysin suorittamiseen insinöörit käyttävät Ansys nCode DesignLife -ohjelmaa, Haidari lisää.
Kriittiset hitsauspisteet koko rakenteessa ovat mahdollisia rakenteellisia heikkousalueita. Käyttämällä Mechanical- ja DesignXplorer-ohjelmia WEG:n insinöörit arvioivat nämä kohdat varmistaakseen, että ne kestävät suurimmat mahdolliset kuormitukset, Haidari jatkoi.
WEG:n insinöörit käyttävät Ansys Maxwelliä simuloidakseen matalataajuisia sähkömagneettisia kenttiä, joita turbiini synnyttää normaalin toiminnan aikana. Näissä simuloinneissa arvioidaan vääntömomenttia, indusoitua jännitettä, häviöitä ja magneettisydämen kyllästymistä.
”Generaattorin ja tehomuuntimen välisten harmonisten virtojen minimointi on kriittisen tärkeää tuuliturbiinin turvallisen ja optimaalisen toiminnan kannalta. Matalan harmonisen kokonaissärön ylläpitämiseksi insinöörit käyttivät Maxwell-simulaatioita analysoidakseen magneettien sijoittelua, määrittääkseen tuotetun jännitteen ja arvioidakseen harmonisen spektrin”, totesi Haidari.
”Läpitunkeva simulointi on löytänyt tiensä WEG:n tuuliturbiinien suunnittelun kaikkiin osa-alueisiin. Samaa voidaan sanoa myös muista WEG:n valmistamista tuotteista, kuten turbogeneraattoreista ja hydrogeneraattoreista.”
Tämä juttu ilmestyy täällä osana ristiinjulkaisusopimusta Scientific Computing Worldin kanssa.
Tilaa insideHPC-uutiskirjeemme
.