In questo articolo speciale, Robert Roe di Scientific Computing World scrive che la simulazione HPC fornisce una piattaforma per sviluppare progressi nelle tecnologie di generazione di energia.
Vortex Bladeless è un aerogeneratore ecologico che non ha bisogno di pale.
Attraverso l’uso di simulazioni all’avanguardia, gli ingegneri del software stanno sviluppando nuove tecnologie innovative di energia eolica e aumentando l’efficienza e la durata delle turbine eoliche. La ricerca di fonti di energia sostenibili è una delle preoccupazioni più pressanti della società. Lo sviluppo di fonti di energia sostenibile avanzate offre non solo un aumento della potenza e dell’efficienza della generazione di energia, ma anche un’alternativa ai combustibili fossili.
Le risorse di combustibile fossile stanno diventando più scarse e così le fonti rinnovabili come l’energia eolica e solare stanno fornendo più energia che mai. Il Regno Unito, per esempio, ha fissato l’obiettivo del 20% di energia totale prodotta da fonti rinnovabili entro il 2020.
Aumentare l’efficienza di tecnologie come i pannelli solari e le turbine eoliche è una sfida chiave per il successo delle fonti di energia rinnovabili, insieme ai costi di produzione e fabbricazione.
L’uso di software di modellazione e simulazione offre un percorso verso l’innovazione in quanto la simulazione su larga scala può essere impiegata per aiutare a progettare nuovi sistemi e aumentare l’efficienza delle tecnologie esistenti per renderle più economicamente sostenibili.
David Yáñez, co-fondatore della tech-startup spagnola, Vortex Bladeless
Alla Altair Technology Conference (ATC) 2019 del Regno Unito, David Yáñez, co-fondatore della tech-startup spagnola, Vortex Bladeless, ha presentato il progetto della società per una nuova tecnologia di energia eolica. Una delle caratteristiche chiave di questo sistema è la riduzione degli elementi meccanici che possono essere consumati dall’attrito. L’azienda ha sviluppato la tecnologia utilizzando strumenti CFD forniti da Altair, che hanno aiutato l’azienda a studiare sia l’interazione fluido-struttura che il comportamento dei campi magnetici nell’alternatore. I risultati sono stati poi confrontati con i risultati sperimentali ottenuti sia nella galleria del vento che in ambienti applicativi reali.
Vortex Bladeless è un generatore eolico risonante con vibrazioni indotte dal vortice. Sfrutta l’energia eolica da un fenomeno di vorticosità chiamato vortex shedding. Lo spargimento di vortici è un flusso oscillante che ha luogo quando un fluido come l’aria o l’acqua scorre oltre un vortice a certe velocità. In meccanica dei fluidi, quando il vento passa attraverso un corpo smussato, il flusso viene modificato e genera un modello ciclico di vortici.
Una volta che la frequenza di queste forze è abbastanza vicina alla frequenza strutturale del corpo, il corpo inizia ad oscillare ed entra in risonanza con il vento. Questo è noto anche come vibrazione indotta dal vortice (VIV).
La geometria dell’albero di Vortex è progettata per ottenere le massime prestazioni in base alle velocità medie del vento osservate. È in grado di adattarsi molto rapidamente ai cambiamenti di direzione del vento e ai flussi d’aria turbolenti comunemente osservati negli ambienti urbani.
Il disturbo della corrente del vento a valle è il motivo per cui le turbine regolari devono essere installate a una certa distanza le une dalle altre. Tuttavia questo non è il caso del sistema VIV, poiché si evita qualsiasi limitazione associata all'”effetto scia”. Inoltre, l’azienda si aspetta che i dispositivi Vortex lavorino meglio insieme, causando un feedback e aumentando la velocità dei vortici se hanno il giusto spazio libero intorno a loro, che è stimato essere la metà dell’altezza totale del dispositivo.
Per le turbine eoliche regolari, questo spazio libero è di solito cinque volte l’altezza totale del dispositivo.
La tecnologia bladeless consiste in un cilindro fissato verticalmente con una barra elastica. Il cilindro oscilla in determinate condizioni di vento, che poi genera elettricità attraverso un sistema di alternatore.
La risonanza è un ottimo modo per trasferire energia da un fluido a una struttura. Si ottiene una risonanza quando due frequenze sono vicine, per esempio la frequenza naturale di una struttura e, in questo esempio, la frequenza che viene creata da questi vortici”, ha spiegato Yáñez. “In Spagna oggi produciamo fino al 20 per cento della nostra energia dal vento, ma quando si parla di distribuzione di energia il re è il pannello solare.”
“Stiamo progettando un nuovo strumento per raccogliere energia dal vento e abbiamo cercato di aumentare, il fenomeno di risonanza che appare”, ha aggiunto Yáñez.
Le turbine senza pale sono senza ingranaggi, senza olio, silenziose, innocue per gli uccelli, a bassa manutenzione e costo, auto-runing e standalone, per la generazione in loco e rapido adattamento ai cambiamenti di vento.
Tecnologia Vortex
Il cilindro esterno del sistema Vortex Bladeless è progettato per essere in gran parte rigido e ha la capacità di vibrare, rimanendo ancorato all’asta inferiore. La parte superiore del cilindro non è vincolata e fornisce la massima ampiezza dell’oscillazione. La struttura è costruita usando resine rinforzate con fibre di carbonio e/o di vetro, gli stessi materiali usati nelle pale delle turbine eoliche convenzionali.
La parte superiore dell’asta sostiene l’albero e la sua parte inferiore è saldamente ancorata al suolo. È costruita in polimero rinforzato con fibra di carbonio, che fornisce una resistenza alla fatica e ha una minima perdita di energia quando oscilla. Il design di questo sistema di induzione senza pale è abbastanza diverso da quello di una turbina tradizionale. Invece della solita torre, navicella e pale, i sistemi Vortex usano un singolo albero di materiali leggeri sopra una base. Le turbine eoliche tradizionali come HAWT (turbine eoliche ad asse orizzontale) e VAWT (turbine eoliche ad asse verticale) funzionano per rotazione, mentre il dispositivo Vortex Bladeless funziona per oscillazione.
Il processo di sviluppo richiede un attento esame del dispositivo e una comprensione del suo comportamento in diverse condizioni di vento. La risonanza dell’albero e i vortici che vengono prodotti quando il vento passa attraverso il dispositivo devono avere una frequenza simile affinché il movimento di oscillazione si verifichi e generi energia.
Dobbiamo iniziare a visualizzare il nostro dispositivo e qui un fattore chiave è Altair. Per aiutarci a capire come la nostra struttura interagire con il vento”, ha dichiarato Yáñez. Quando la frequenza dei vortici è vicina alla frequenza di risonanza del nostro albero allora cominciamo a produrre energia. Lavoriamo molto con AcuSolve e con HyperMesh per costruire questa maglia”.
La presentazione ha descritto lo sviluppo della maglia per l’albero, che scompone la forma in un certo numero di celle. Yáñez ha descritto come la crescita di queste cellule sia molto importante per capire se i risultati dei test al computer possono essere verificati in un test del mondo reale. Abbiamo bisogno di capire quanto siamo vicini alle condizioni reali e con AcuSolve e FieldView siamo in grado di capire i risultati, il che ci permette di trasportare la conoscenza che abbiamo ottenuto con questa simulazione nei nostri dispositivi”, ha continuato Yáñez.
I test iniziali hanno trovato alcuni problemi con il design che il team è stato in grado di superare con alcuni pensieri fuori dagli schemi. Abbiamo visto che le prestazioni del nostro dispositivo non erano quelle che ci aspettavamo. Un giorno ho iniziato a studiare un altro settore, che era un’area della scienza dove le persone stavano studiando i vortici creati dalle code dei pesci e nelle ali degli uccelli”, commenta Yáñez. Ho preso le loro formule e le ho mescolate con la formula usata dagli ingegneri strutturali, e abbiamo ottenuto una nuova formula che ci ha portato a sviluppare un’altra geometria. Con questa nuova geometria abbiamo aumentato le nostre prestazioni”.
Le modifiche al design dell’albero hanno permesso agli ingegneri di aumentare le dimensioni dell’albero, portando lo sviluppo verso un sistema di dimensioni di produzione completa. “Alcuni mesi fa abbiamo iniziato cinque dispositivi di 2,5 metri di altezza che hanno più che sarebbe adatto a produrre energia nelle case. Ma abbiamo visto in condizioni reali che questi dispositivi sono in grado di adattarsi molto rapidamente ai cambiamenti di direzione e velocità del vento perché non abbiamo alcun tipo di spin o momento”, ha concluso Yáñez.
Mentre le simulazioni bidimensionali sono utili, VIV è un fenomeno 3D e come tale richiede le simulazioni CFD su larga scala che sono state sviluppate da Yáñez e i suoi colleghi. Poiché si tratta di una nuova tecnologia, bisogna fare molto lavoro per garantire che i dispositivi si comportino come previsto e producano energia con l’efficienza richiesta. Questo significa creare nuovi modelli che devono essere convalidati. Queste simulazioni 3D sono basate sul numero di Reynolds, un’importante grandezza adimensionale nella meccanica dei fluidi usata per aiutare a prevedere i modelli di flusso in diverse situazioni di flusso dei fluidi
Queste simulazioni richiedono una grande quantità di risorse computazionali così gli ingegneri hanno pareggiato con Altair e il Barcelona Supercomputing Center (BSC) per trovare il modo migliore per ottenere risultati ottimali in un modo conveniente.
Simulare la crescita
Un’altra ragione per la simulazione su larga scala delle turbine eoliche è quella di rimanere competitivi in un mercato sempre più difficile. Secondo Envision Intelligence, il mercato globale delle energie rinnovabili dovrebbe crescere ad un tasso composto annuo del 13,1% dal 2018 al 2024. Questo enorme potenziale di crescita spinge la concorrenza. Di conseguenza, le aziende sono alla ricerca di modi per rimanere un passo avanti ai concorrenti.
All’inizio del 2019 Ansys ha annunciato i dettagli della sua partnership con WEG, una società di ingegneria brasiliana che cerca di sfruttare la crescita del settore energetico. L’azienda sceglie Ansys grazie alla sua “simulazione pervasiva” che consente alle aziende di iterare e innovare rapidamente attraverso ogni aspetto del ciclo di vita di un progetto.
In un post sul blog, Ahmad Haidari, global industry director di Ansys, ha osservato che “WEG ha scelto la simulazione pervasiva di Ansys per valutare le prestazioni strutturali, elettromagnetiche, termiche e dei fluidi di tutti i suoi prodotti.”
Gli ingegneri di WEG stanno sviluppando una turbina eolica da 4 mW a trasmissione diretta con requisiti di alta efficienza e bassa manutenzione. Raddoppiando quasi la potenza della sua attuale piattaforma da 2,1mW, WEG spera che il suo nuovo design possa tenere il passo con le crescenti richieste. Gli ingegneri usano una varietà di strumenti di simulazione pervasivi per testare e sviluppare i suoi progetti durante il loro ciclo di vita”, ha continuato Haidari. Gli ingegneri di questo progetto hanno utilizzato diversi strumenti Ansys, tra cui Ansys Mechanical, Ansys Maxwell e Ansys DesignXplorer.
L’aumento della potenza in uscita che comporta il raddoppio delle prestazioni di una turbina eolica causa un elevato carico dinamico sui componenti strutturali. Gli ingegneri della WEG usano Ansys Mechanical per valutare i vari casi di carico in tutta la struttura.
“L’adattatore della gondola, che si trova in cima alla torre di cemento e sopporta il peso delle pale della turbina montate sulla sua parte anteriore, deve resistere a carichi estremi evitando deformazioni plastiche e slittamenti. Gli ingegneri usano la simulazione strutturale per valutare le sollecitazioni al collo e ai punti di saldatura. Per completare la loro analisi dei guasti a fatica, gli ingegneri usano Ansys nCode DesignLife”, ha aggiunto Haidari.
I punti critici di saldatura in tutta la struttura sono potenziali regioni di debolezza strutturale. Usando Mechanical e DesignXplorer, gli ingegneri WEG valutano questi punti per garantire che possano sopportare i carichi più grandi che sperimenterebbero”, ha continuato Haidari.
Gli ingegneri WEG usano Ansys Maxwell per simulare i campi elettromagnetici a bassa frequenza prodotti dalla turbina durante il normale funzionamento. Queste simulazioni valutano la coppia, la tensione indotta, le perdite e la saturazione del nucleo magnetico.
“Ridurre al minimo le correnti armoniche tra il generatore e il convertitore di potenza è fondamentale per una prestazione sicura e ottimale della turbina eolica. Per mantenere bassa la distorsione armonica totale, gli ingegneri hanno usato simulazioni Maxwell per analizzare il posizionamento dei magneti, determinare la tensione generata e valutare lo spettro armonico”, ha dichiarato Haidari.
“La simulazione pervasiva si è fatta strada in ogni aspetto della progettazione delle turbine eoliche WEG. Lo stesso si può dire degli altri prodotti realizzati da WEG, come i suoi turbogeneratori e idrogeneratori.”
Questa storia appare qui come parte di un accordo di cross-publishing con Scientific Computing World.
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