Dans ce dossier spécial, Robert Roe de Scientific Computing World écrit que la simulation HPC fournit une plateforme pour développer des avancées dans les technologies de production d’énergie.
Vortex Bladeless est un aérogénérateur respectueux de l’environnement qui n’a pas besoin de pales.
Grâce à l’utilisation de la simulation de pointe, les ingénieurs logiciels développent de nouvelles technologies innovantes en matière d’énergie éolienne et augmentent l’efficacité et la durabilité des éoliennes. La recherche de sources d’énergie durables est l’une des préoccupations les plus pressantes de la société. Le développement de sources d’énergie durables avancées offre non seulement une augmentation de la puissance et de l’efficacité de la production d’énergie, mais aussi une alternative aux combustibles fossiles.
Les ressources en combustibles fossiles se raréfient et donc les sources renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire fournissent plus d’énergie que jamais. Le Royaume-Uni, par exemple, a fixé un objectif de 20 % de son énergie totale produite par des sources renouvelables d’ici 2020.
L’augmentation de l’efficacité des technologies comme les panneaux solaires et les éoliennes est un défi clé pour le succès des sources d’énergie renouvelables, avec les coûts de production et de fabrication.
L’utilisation de logiciels de modélisation et de simulation offre une voie vers l’innovation car la simulation à grande échelle peut être employée pour aider à concevoir de nouveaux systèmes et augmenter l’efficacité des technologies existantes afin de les rendre plus viables économiquement.
David Yáñez, cofondateur de la tech-startup espagnole, Vortex Bladeless
Lors de la conférence britannique Altair Technology Conference (ATC) 2019, David Yáñez, cofondateur de la tech-startup espagnole, Vortex Bladeless, a présenté la conception de l’entreprise pour une nouvelle technologie d’énergie éolienne. L’une des principales caractéristiques de ce système est la réduction des éléments mécaniques qui peuvent être usés par le frottement. L’entreprise a développé cette technologie à l’aide des outils CFD fournis par Altair, qui ont permis à l’entreprise d’étudier à la fois l’interaction fluide-structure et le comportement des champs magnétiques dans l’alternateur. Les résultats sont ensuite comparés aux résultats expérimentaux obtenus à la fois en soufflerie et dans des environnements d’application réels.
Vortex Bladeless est un générateur éolien résonant à vibrations induites par les vortex. Il exploite l’énergie éolienne à partir d’un phénomène de vorticité appelé » vortex shedding « . Le délestage tourbillonnaire est un flux oscillant qui se produit lorsqu’un fluide, tel que l’air ou l’eau, passe devant une falaise à certaines vitesses. En mécanique des fluides, lorsque le vent traverse un corps émoussé, l’écoulement est modifié et génère un motif cyclique de tourbillons.
Une fois que la fréquence de ces forces est suffisamment proche de la fréquence structurelle du corps, ce dernier commence à osciller et entre en résonance avec le vent. Ce phénomène est également connu sous le nom de vibration induite par le tourbillon (VIV).
La géométrie du mât de Vortex est conçue pour obtenir des performances maximales en fonction des vitesses moyennes du vent observées. Elle est capable de s’adapter très rapidement aux changements de direction du vent et aux flux d’air turbulents couramment observés dans les environnements urbains.
La perturbation du courant de vent en aval est la raison pour laquelle les éoliennes ordinaires doivent être installées à une certaine distance les unes des autres. Cependant, ce n’est pas le cas pour le système VIV, car toute limitation associée à l' »effet de sillage » est évitée. En outre, l’entreprise s’attend à ce que les dispositifs VIV fonctionnent mieux ensemble, provoquant une rétroaction et augmentant la vitesse des tourbillons s’ils disposent de l’espace libre approprié autour d’eux, qui est estimé à la moitié de la hauteur totale du dispositif.
Pour les éoliennes régulières, cet espace libre est généralement cinq fois la hauteur totale du dispositif.
La technologie sans pale consiste en un cylindre fixé verticalement avec une tige élastique. Le cylindre oscille sous certaines conditions de vent, ce qui génère alors de l’électricité grâce à un système d’alternateur.
La résonance est un excellent moyen de transférer l’énergie d’un fluide à une structure. Nous obtenons une résonance lorsque deux fréquences sont proches, par exemple la fréquence naturelle d’une structure et, dans cet exemple, la fréquence qui est créée par ces tourbillons », a expliqué Yáñez. « En Espagne, aujourd’hui, nous produisons jusqu’à 20 % de notre énergie à partir du vent, mais lorsque nous parlons de la distribution de l’énergie, le roi est le panneau solaire. »
« Nous concevons un nouvel outil pour collecter l’énergie du vent et nous avons essayé d’augmenter, le phénomène de résonance qui apparaît », a ajouté Yáñez.
Les turbines sans pales sont sans engrenage, sans huile, silencieuses, inoffensives pour les oiseaux, à faible entretien et coût, autoportantes et autonomes, pour une production sur site et une adaptation rapide aux changements de vent.
Technologie Vortex
Le cylindre extérieur du système Vortex Bladeless est conçu pour être largement rigide et a la capacité de vibrer, en restant ancré à la tige inférieure. Le haut du cylindre n’est pas contraint et fournit l’amplitude maximale de l’oscillation. La structure est construite à l’aide de résines renforcées de fibres de carbone et/ou de verre, les mêmes matériaux que ceux utilisés dans les pales d’éoliennes conventionnelles.
Le haut de la tige supporte le mât et son bas est fermement ancré au sol. Elle est construite en polymère renforcé de fibres de carbone, ce qui lui confère une résistance à la fatigue et une fuite d’énergie minimale lorsqu’elle oscille. La conception de ce système d’induction sans pale est assez différente de celle d’une turbine traditionnelle. Au lieu de la tour, de la nacelle et des pales habituelles, les systèmes Vortex utilisent un seul mât en matériaux légers au-dessus d’une base. Les éoliennes traditionnelles telles que les HAWT (éoliennes à axe horizontal) et les VAWT (éoliennes à axe vertical) fonctionnent par rotation alors que le dispositif Vortex Bladeless fonctionne par oscillation.
Le processus de développement nécessite un examen minutieux du dispositif et une compréhension de son comportement dans différentes conditions de vent. La résonance du mât et les tourbillons qui sont produits lorsque le vent passe à travers le dispositif doivent avoir une fréquence similaire pour que le mouvement d’oscillation se produise et génère de l’énergie.
Nous devons commencer à visualiser notre dispositif et ici un facteur clé est Altair. Pour nous aider à comprendre comment notre structure interagit avec le vent », a déclaré Yáñez. Lorsque la fréquence des tourbillons est proche de la fréquence de résonance de notre mât, nous commençons à produire de l’énergie. Nous travaillons beaucoup avec AcuSolve et avec HyperMesh pour construire ce maillage. »
La présentation a décrit le développement du maillage pour le mât, qui décompose la forme en un certain nombre de cellules. Yáñez a décrit comment la croissance de ces cellules est très importante pour comprendre si les résultats des tests informatiques peuvent être vérifiés dans un test réel. ‘Nous avons besoin de savoir à quel point nous sommes proches des conditions réelles et avec AcuSolve et FieldView, nous sommes en mesure de comprendre les résultats, ce qui nous permet de transporter les connaissances que nous avons obtenues avec cette simulation dans nos dispositifs’, a poursuivi Yáñez.
Les tests initiaux ont trouvé quelques problèmes avec la conception que l’équipe a été en mesure de surmonter avec une certaine pensée hors de la boîte. Nous avons constaté que les performances de notre appareil ne correspondaient pas à nos attentes. Un jour, j’ai commencé à étudier un autre domaine, à savoir un domaine scientifique où l’on étudiait les tourbillons créés par la queue des poissons et les ailes des oiseaux », commente Yáñez. J’ai pris leurs formules et les ai mélangées à la formule utilisée par les ingénieurs structurels, et nous avons obtenu une nouvelle formule qui nous a permis de développer une autre géométrie. Avec cette nouvelle géométrie, nous avons augmenté nos performances.’
Les modifications apportées à la conception du mât ont permis aux ingénieurs d’en augmenter la taille, poursuivant le développement vers un système de taille de production complète. « Il y a quelques mois, nous avons commencé cinq dispositifs de 2,5 mètres de hauteur qui en ont plus qui seraient adaptés à la production d’énergie dans les maisons. Mais nous avons vu en conditions réelles que ces dispositifs sont capables de s’adapter très rapidement aux changements de direction et de vitesse du vent parce que nous n’avons aucune sorte de rotation ou de momentum », a conclu Yáñez.
Bien que les simulations bidimensionnelles soient utiles, la VIV est un phénomène 3D et, en tant que tel, il nécessite les simulations CFD à grande échelle qui ont été développées par Yáñez et ses collègues. Comme il s’agit d’une nouvelle technologie, beaucoup de travail doit être accompli pour s’assurer que les dispositifs se comportent comme prévu et produisent de l’énergie avec l’efficacité requise. Cela implique la création de nouveaux modèles qui doivent être validés. Ces simulations 3D sont basées sur le nombre de Reynolds, une importante quantité sans dimension en mécanique des fluides utilisée pour aider à prédire les modèles d’écoulement dans différentes situations d’écoulement de fluides
Ces simulations nécessitent une grande quantité de ressources de calcul, de sorte que les ingénieurs ont fait le pair avec Altair et le Barcelona Supercomputing Center (BSC) pour trouver la meilleure façon d’obtenir des résultats optimaux de manière abordable.
Simuler la croissance
Une autre raison de la simulation à grande échelle des éoliennes est de rester compétitif sur un marché de plus en plus difficile. Selon Envision Intelligence, le marché mondial des énergies renouvelables devrait connaître un taux de croissance annuel composé de 13,1 % entre 2018 et 2024. Cet énorme potentiel de croissance stimule la concurrence. Par conséquent, les entreprises cherchent des moyens de garder une longueur d’avance sur leurs concurrents.
En début d’année 2019, Ansys a annoncé les détails de son partenariat avec WEG, une société d’ingénierie brésilienne qui cherche à tirer parti de la croissance du secteur de l’énergie. L’entreprise a choisi Ansys en raison de sa » simulation omniprésente » qui permet aux entreprises d’itérer et d’innover rapidement sur tous les aspects du cycle de vie d’une conception.
Dans un billet de blog, Ahmad Haidari, directeur industriel mondial chez Ansys, a noté que ‘WEG a choisi la simulation omniprésente d’Ansys pour évaluer les performances structurelles, électromagnétiques, thermiques et fluidiques de tous ses produits.’
Les ingénieurs de WEG développent une éolienne à entraînement direct de 4mW avec des exigences de haut rendement et de faible maintenance. En doublant presque la puissance de sa plateforme actuelle de 2,1mW, WEG espère que sa nouvelle conception permettra de répondre aux demandes croissantes. Les ingénieurs utilisent une variété d’outils de simulation omniprésents pour tester et développer leurs conceptions tout au long de leur cycle de vie », poursuit M. Haidari. Les ingénieurs de ce projet ont utilisé plusieurs outils Ansys, notamment Ansys Mechanical, Ansys Maxwell et Ansys DesignXplorer.
L’augmentation de puissance impliquée dans le doublement des performances d’une éolienne entraîne une charge dynamique élevée sur les composants structurels. Les ingénieurs de WEG utilisent Ansys Mechanical pour évaluer les différents cas de charge dans l’ensemble de la structure.
« L’adaptateur nacelle-tour, qui se trouve au sommet de la tour en béton et supporte le poids des pales de l’éolienne montées sur sa face avant, doit résister à des charges extrêmes tout en évitant la déformation plastique et le glissement. Les ingénieurs utilisent la simulation structurelle pour évaluer les contraintes au niveau du col et des points de soudure. Pour compléter leur analyse de défaillance par fatigue, les ingénieurs utilisent Ansys nCode DesignLife, ajoute Haidari.
Les points de soudure critiques dans toute la structure sont des régions potentielles de faiblesse structurelle. À l’aide de Mechanical et de DesignXplorer, les ingénieurs de WEG évaluent ces points pour s’assurer qu’ils peuvent résister aux plus grandes charges qu’ils subiraient, poursuit Haidari.
Les ingénieurs de WEG utilisent Ansys Maxwell pour simuler les champs électromagnétiques basse fréquence produits par la turbine en fonctionnement normal. Ces simulations évaluent le couple, la tension induite, les pertes et la saturation du noyau magnétique.
« La minimisation des courants harmoniques entre le générateur et le convertisseur de puissance est essentielle pour une performance sûre et optimale de l’éolienne. Pour maintenir une distorsion harmonique totale faible, les ingénieurs ont utilisé des simulations Maxwell pour analyser le positionnement des aimants, déterminer la tension générée et évaluer le spectre harmonique », a déclaré Haidari.
« La simulation omniprésente a fait son chemin dans chaque aspect de la conception des éoliennes de WEG. On peut en dire autant des autres produits fabriqués par WEG, comme ses turbogénérateurs et ses hydrogénérateurs. »
Cette histoire apparaît ici dans le cadre d’un accord de publication croisée avec Scientific Computing World.
Sign up for our insideHPC Newsletter