A Scientific Computing World munkatársa, Robert Roe azt írja, hogy a HPC-szimuláció platformot biztosít az energiatermelési technológiák fejlesztéséhez.
A Vortex Bladeless egy környezetbarát léggenerátor, amelynek nincs szüksége lapátokra.
A csúcstechnológiájú szimuláció alkalmazásával a szoftvermérnökök innovatív új szélenergia-technológiát fejlesztenek ki, és növelik a szélturbinák hatékonyságát és tartósságát. A fenntartható energiaforrások megtalálására való törekvés a társadalom egyik legsürgetőbb problémája. A fejlett fenntartható energiaforrások fejlesztése nemcsak az energiatermelés teljesítményének és hatékonyságának növelését kínálja, hanem a fosszilis tüzelőanyagok alternatíváját is.
A fosszilis tüzelőanyagforrások egyre szűkösebbek, ezért az olyan megújuló források, mint a szél- és napenergia, minden eddiginél több energiát biztosítanak. Az Egyesült Királyság például azt a célt tűzte ki, hogy 2020-ra a teljes energia 20 százalékát megújuló forrásokból állítsák elő.
A megújuló energiaforrások sikerének egyik fő kihívása az olyan technológiák hatékonyságának növelése, mint a napelemek és a szélturbinák, valamint a termelési és gyártási költségek.
A modellező és szimulációs szoftverek használata utat kínál az innováció felé, mivel a nagyméretű szimuláció segítségével új rendszerek tervezése és a meglévő technológiák hatékonyságának növelése révén gazdaságosabbá tehető.
David Yáñez, a spanyol tech-startup, Vortex Bladeless társalapítója
A brit Altair Technology Conference (ATC 2019) rendezvényen David Yáñez, a spanyol tech-startup, Vortex Bladeless társalapítója bemutatta a vállalat új szélenergia-technológia tervét. A rendszer egyik legfontosabb jellemzője a súrlódás miatt elhasználódó mechanikus elemek csökkentése. A vállalat az Altair által biztosított CFD-eszközök segítségével fejlesztette ki a technológiát, amelyek segítségével a vállalat tanulmányozhatta mind a folyadék-szerkezet kölcsönhatást, mind a generátorban lévő mágneses mezők viselkedését. Az eredményeket ezután összehasonlították a szélcsatornában és valós alkalmazási környezetben kapott kísérleti eredményekkel.
A Vortex Bladeless egy örvénylés által kiváltott rezgésrezonáns szélgenerátor. A szélenergiát az örvényesség örvényleválásnak nevezett jelenségéből hasznosítja. A vortex shedding egy oszcilláló áramlás, amely akkor jön létre, amikor egy folyadék, például levegő vagy víz bizonyos sebességgel áramlik el egy blöff mellett. A folyadékmechanikában, ahogy a szél áthalad egy tompa testen, az áramlás megváltozik, és örvények ciklikus mintázatát hozza létre.
Amint ezen erők frekvenciája elég közel kerül a test szerkezeti frekvenciájához, a test oszcillálni kezd, és rezonanciába kerül a széllel. Ezt nevezik örvényindukált rezgésnek (VIV) is.
A Vortex árbocgeometriáját úgy tervezték, hogy a megfigyelt átlagos szélsebességek alapján maximális teljesítményt érjen el. Képes nagyon gyorsan alkalmazkodni a szélirány-változásokhoz és a városi környezetben gyakran megfigyelhető turbulens légáramlatokhoz.
A lefelé irányuló széláramlatok zavara az oka annak, hogy a szabályos turbinákat bizonyos távolságra kell telepíteni egymástól. A VIV-rendszer esetében azonban nem ez a helyzet, mivel elkerülhető minden, az “örvényhatással” kapcsolatos korlátozás. A vállalat továbbá arra számít, hogy a Vortex-berendezések jobban működnek együtt, visszacsatolást okoznak és növelik az örvények sebességét, ha megfelelő szabad tér veszi őket körül, ami a becslések szerint a berendezés teljes magasságának fele.
A hagyományos szélturbinák esetében ez a szabad tér általában a berendezés teljes magasságának ötszöröse.
A lapát nélküli technológia egy rugalmas rúddal függőlegesen rögzített hengerből áll. A henger bizonyos szélviszonyok mellett rezeg, ami aztán egy generátorrendszeren keresztül áramot termel.
A rezonancia nagyszerű módja az energia átvitelének egy folyadékból egy szerkezetbe. Akkor kapunk rezonanciát, ha két frekvencia közel van egymáshoz, például egy szerkezet saját frekvenciája és ebben a példában az a frekvencia, amelyet ezek az örvények hoznak létre” – magyarázta Yáñez. “Spanyolországban ma az energiánk akár 20 százalékát is a szélből állítjuk elő, de amikor az energia elosztásáról beszélünk, a király a napelem.”
“Egy új eszközt tervezünk a szélből származó energia összegyűjtésére, és megpróbáltuk növelni, a megjelenő rezonanciajelenséget” – tette hozzá Yáñez.
A lapát nélküli turbinák hajtómű nélküliek, olaj nélküliek, csendesek, veszélytelenek a madarakra, alacsony karbantartási és költségigényűek, önjáróak és önállóak, a helyszíni termeléshez és a szél változásaihoz való gyors alkalmazkodáshoz.
Vortex technológia
A Vortex Bladeless rendszer külső hengerét úgy tervezték, hogy nagyrészt merev legyen és rezgőképes, az alsó rúdhoz rögzítve maradjon. A henger felső része merevítetlen, és biztosítja a rezgés maximális amplitúdóját. A szerkezet szén- és/vagy üvegszállal megerősített gyantákból épül fel, ugyanazokból az anyagokból, amelyeket a hagyományos szélturbinák lapátjaiban használnak.
A rúd teteje az árbocot támasztja alá, az alja pedig szilárdan a talajhoz van rögzítve. Szénszállal erősített polimerből épül, amely fáradási ellenállást biztosít, és rezgés közben minimális energiaszivárgást okoz. Ennek a lapát nélküli indukciós rendszernek a kialakítása jelentősen eltér a hagyományos turbináktól. A szokásos torony, gondola és lapátok helyett a Vortex-rendszerek egyetlen, könnyű anyagból készült árbocot használnak egy alap fölött. A hagyományos szélturbinák, mint például a HAWT (vízszintes tengelyű szélturbinák) és a VAWT (függőleges tengelyű szélturbinák) forgatással működnek, míg a Vortex Bladeless berendezés rezgéssel működik.
A fejlesztési folyamathoz a berendezés gondos vizsgálatára és a különböző szélviszonyok közötti viselkedésének megértésére van szükség. Az árboc rezonanciájának és a szél áthaladásakor keletkező örvényeknek hasonló frekvenciájúnak kell lenniük ahhoz, hogy az oszcillációs mozgás létrejöjjön és energiát termeljen.
Meg kell kezdenünk a készülékünk vizualizálását, és itt az egyik kulcsfontosságú tényező az Altair. Segít megérteni, hogyan lép kölcsönhatásba a szerkezetünk a széllel” – jelentette ki Yáñez. Amikor az örvények frekvenciája közel van az árbocunk rezonanciafrekvenciájához, akkor elkezdünk energiát termelni. Sokat dolgozunk az AcuSolve-val és a HyperMesh-szel, hogy ezt a hálót felépítsük.”
A prezentáció ismertette az árboc hálójának kifejlesztését, amely az alakzatot számos cellára bontja. Yáñez leírta, hogy ezeknek a sejteknek a növekedése nagyon fontos ahhoz, hogy megértsük, hogy a számítógépes tesztelés eredményei igazolhatóak-e egy valós tesztben. “Meg kell vizsgálnunk, hogy mennyire vagyunk közel a valós körülményekhez, és az AcuSolve és a FieldView segítségével képesek vagyunk megérteni az eredményeket, ami lehetővé teszi számunkra, hogy a szimulációval szerzett ismereteket átvigyük az eszközeinkbe” – folytatta Yáñez.
A kezdeti tesztek során találtak néhány problémát a tervezéssel kapcsolatban, amelyeket a csapatnak sikerült megoldania némi “out of the box” gondolkodással. ‘Azt láttuk, hogy az eszközünk teljesítménye nem az volt, amire számítottunk. Egy nap elkezdtem tanulmányozni egy másik területet, amely a tudománynak egy olyan területe volt, ahol a halak farkában és a madarak szárnyában keletkező örvényeket tanulmányozták’ – kommentálja Yáñez. ‘Fogtam a képleteiket, és összekevertem őket a szerkezetmérnökök által használt képlettel, és egy új képletet kaptunk, amely egy másik geometria kidolgozásához vezetett minket. Ezzel az új geometriával növeltük a teljesítményünket.”
Az árboc kialakításának módosításai lehetővé tették a mérnökök számára, hogy növeljék az árboc méretét, továbbfejlesztve a teljes gyártási méretű rendszer felé. “Néhány hónappal ezelőtt öt olyan 2,5 méteres magasságú készüléket kezdtünk el gyártani, amelyek több olyan eszközzel rendelkeznek, amelyek alkalmasak lennének az otthonokban történő energiatermelésre. De valós körülmények között láttuk, hogy ezek az eszközök nagyon gyorsan képesek alkalmazkodni a szélirány és a sebesség változásaihoz, mert nincs semmiféle pörgés vagy lendület” – zárta Yáñez.”
Míg a kétdimenziós szimulációk hasznosak, a VIV egy 3D-s jelenség, és mint ilyen, nagyméretű CFD-szimulációkat igényel, amelyeket Yáñez és kollégái fejlesztettek ki. Mivel új technológiáról van szó, sok munkát kell elvégezni annak érdekében, hogy az eszközök az elvárásoknak megfelelően viselkedjenek, és a szükséges hatékonysággal termeljenek energiát. Ez új modellek létrehozását jelenti, amelyeket validálni kell. Ezek a 3D-s szimulációk a Reynolds-számon alapulnak, amely egy fontos dimenziótlan mennyiség a folyadékmechanikában, amelyet arra használnak, hogy segítsen megjósolni az áramlási mintázatokat különböző folyadékáramlási helyzetekben
Ezek a szimulációk nagy mennyiségű számítási erőforrást igényelnek, ezért a mérnökök az Altairral és a Barcelona Supercomputing Centerrel (BSC) paralizáltak, hogy megtalálják a legjobb módszert az optimális eredmények megfizethető módon történő eléréséhez.
Növekedés szimulálása
A szélturbinák nagyszabású szimulációjának másik oka, hogy versenyképesek maradjanak az egyre nehezebbé váló piacon. Az Envision Intelligence szerint a megújuló energiaforrások globális piaca 2018 és 2024 között várhatóan 13,1 százalékos éves összetett növekedési ütemmel fog növekedni. Ez a hatalmas növekedési potenciál ösztönzi a versenyt. Ennek eredményeképpen a vállalatok keresik a módját annak, hogyan maradhatnak egy lépéssel a versenytársak előtt.
2019 elején az Ansys bejelentette a WEG-vel, egy brazil mérnöki vállalattal való partnerségének részleteit, amely az energiaágazat növekedését szeretné kihasználni. A vállalat az Ansys-t az “átható szimuláció” miatt választotta, amely lehetővé teszi a vállalatok számára a gyors iterációt és innovációt a tervezési életciklus minden aspektusában.
Az Ansys globális ipari igazgatója, Ahmad Haidari egy blogbejegyzésben megjegyezte, hogy “a WEG az Ansys átható szimulációját választotta az összes termékének szerkezeti, elektromágneses, termikus és folyadékteljesítményének értékeléséhez.”
A WEG mérnökei egy 4mW-os, közvetlen meghajtású szélturbinát fejlesztenek, amely nagy hatékonyságú és alacsony karbantartási követelményeket támaszt. A WEG reméli, hogy a jelenlegi 2,1 mW-os platform teljesítményének csaknem megduplázásával az új konstrukció lépést tud tartani a növekvő igényekkel. A mérnökök számos, mindenre kiterjedő szimulációs eszközt használnak tervei tesztelésére és fejlesztésére azok teljes életciklusa során” – folytatta Haidari. A mérnökök ebben a projektben több Ansys eszközt használtak, köztük az Ansys Mechanical, az Ansys Maxwell és az Ansys DesignXplorer eszközöket.
A szélturbina teljesítményének megduplázásával járó megnövekedett teljesítmény nagy dinamikus terhelést jelent a szerkezeti elemekre. A WEG mérnökei az Ansys Mechanical segítségével értékelik a különböző terhelési eseteket az egész szerkezetben.”
“A gondola toronytetős adapterének, amely a betontorony tetején helyezkedik el, és az elejére szerelt turbinalapátok súlyát viseli, szélsőséges terheléseknek kell ellenállnia, miközben el kell kerülnie a képlékeny deformációt és a csúszást. A mérnökök szerkezeti szimulációval értékelik a nyaknál és a hegesztési pontoknál fellépő feszültségeket. A fáradási hibaelemzés elvégzéséhez a mérnökök az Ansys nCode DesignLife-ot használják” – tette hozzá Haidari.
A szerkezet egészén található kritikus hegesztési pontok a szerkezeti gyengeség potenciális régiói. A Mechanical és a DesignXplorer segítségével a WEG mérnökei értékelik ezeket a pontokat, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy ellenállnak a legnagyobb terheléseknek, amelyekkel találkoznának” – folytatta Haidari.
A WEG mérnökei az Ansys Maxwell segítségével szimulálják a turbina által a normál működés során keletkező alacsony frekvenciájú elektromágneses mezőket. Ezek a szimulációk értékelik a nyomatékot, az indukált feszültséget, a veszteségeket és a mágneses mag telítődését.
“A generátor és az áramátalakító közötti harmonikus áramok minimalizálása kritikus fontosságú a szélturbina biztonságos és optimális teljesítménye szempontjából. Az alacsony teljes harmonikus torzítás fenntartása érdekében a mérnökök Maxwell-szimulációkat használtak a mágnesek elhelyezésének elemzésére, a generált feszültség meghatározására és a harmonikus spektrum értékelésére” – nyilatkozta Haidari.
“Az átható szimuláció a WEG szélturbinák tervezésének minden aspektusába bekerült. Ugyanez elmondható a WEG más termékeiről, például a turbógenerátorairól és a hidrogenerátorairól is.”
Ez a cikk a Scientific Computing Worlddel kötött keresztkiadási megállapodás részeként jelenik meg.
Iratkozzon fel insideHPC hírlevelünkre
.