In dit speciale gastartikel schrijft Robert Roe van Scientific Computing World dat HPC-simulatie een platform biedt voor de ontwikkeling van vooruitgang in technologieën voor energieopwekking.
Vortex Bladeless is een milieuvriendelijke luchtgenerator die geen bladen nodig heeft.
Door het gebruik van geavanceerde simulatie ontwikkelen software-ingenieurs innovatieve nieuwe windenergietechnologie en verhogen ze de efficiëntie en duurzaamheid van windturbines. Het zoeken naar duurzame energiebronnen is een van de dringendste maatschappelijke problemen. De ontwikkeling van geavanceerde duurzame energiebronnen biedt niet alleen een toename van het vermogen en de efficiëntie van de energieopwekking, maar ook een alternatief voor fossiele brandstoffen.
Fossiele brandstofbronnen worden schaarser en dus leveren duurzame bronnen zoals wind- en zonne-energie meer stroom dan ooit tevoren. Het Verenigd Koninkrijk bijvoorbeeld heeft zich ten doel gesteld om in 2020 20 procent van de totale energie uit hernieuwbare bronnen te halen.
Het verhogen van de efficiëntie van technologieën als zonnepanelen en windturbines is een belangrijke uitdaging voor het succes van hernieuwbare energiebronnen, samen met de productie- en fabricagekosten.
Het gebruik van modellerings- en simulatiesoftware biedt een weg naar innovatie, omdat simulatie op grote schaal kan worden gebruikt om nieuwe systemen te helpen ontwerpen en de efficiëntie van bestaande technologieën te verhogen om ze economisch levensvatbaarder te maken.
David Yáñez, medeoprichter van Spaanse tech-startup, Vortex Bladeless
Tijdens de Britse Altair Technology Conference (ATC) 2019 presenteerde David Yáñez, medeoprichter van Spaanse tech-startup, Vortex Bladeless, het ontwerp van het bedrijf voor een nieuwe windenergietechnologie. Een van de belangrijkste kenmerken van dit systeem is de vermindering van mechanische elementen die door wrijving kunnen slijten. Het bedrijf ontwikkelde de technologie met behulp van CFD-tools van Altair, waarmee het bedrijf zowel de interactie tussen vloeistof en structuur als het gedrag van de magnetische velden in de alternator kon bestuderen. De resultaten worden vervolgens vergeleken met experimentele resultaten die zowel in windtunnel- als in reële toepassingsomgevingen zijn verkregen.
Vortex Bladeless is een vortex-geïnduceerde trillingsresonante windgenerator. Het benut windenergie uit een fenomeen van vorticiteit genoemd vortex shedding. Vortex shedding is een oscillerende stroming die optreedt wanneer een vloeistof zoals lucht of water met bepaalde snelheden langs een bluf stroomt. In de vloeistofmechanica wordt, wanneer de wind door een stomp lichaam gaat, de stroming gewijzigd en genereert een cyclisch patroon van wervelingen.
Zodra de frequentie van deze krachten dicht genoeg bij de structurele frequentie van het lichaam ligt, begint het lichaam te oscilleren en komt in resonantie met de wind. Dit staat ook bekend als vortex geïnduceerde vibratie (VIV).
De geometrie van de mast van Vortex is ontworpen om maximale prestaties te bereiken op basis van de gemiddelde waargenomen windsnelheden. Hij is in staat zich zeer snel aan te passen aan veranderingen in de windrichting en turbulente luchtstromen die gewoonlijk in stedelijke omgevingen worden waargenomen.
De verstoring van de stroomafwaartse windstroom is de reden waarom reguliere turbines op een bepaalde afstand van elkaar moeten worden geïnstalleerd. Dit is echter niet het geval voor het VIV-systeem, aangezien elke beperking in verband met het “zog-effect” wordt vermeden. Bovendien verwacht het bedrijf dat Vortex-apparaten beter samenwerken, feedback veroorzaken en de snelheid van de wervelingen verhogen als ze de juiste vrije ruimte om zich heen hebben, die naar schatting de helft van de totale hoogte van het apparaat bedraagt.
Bij reguliere windturbines is deze vrije ruimte gewoonlijk vijf keer de totale hoogte van het apparaat.
De blaasloze technologie bestaat uit een cilinder die verticaal is bevestigd met een elastische staaf. De cilinder oscilleert onder bepaalde windomstandigheden, waardoor vervolgens elektriciteit wordt opgewekt via een alternatorsysteem.
Resonantie is een geweldige manier om energie over te brengen van een vloeistof naar een structuur. We krijgen een resonantie wanneer twee frequenties dicht bij elkaar liggen, bijvoorbeeld de natuurlijke frequentie van een structuur en, in dit voorbeeld, de frequentie die door deze wervelingen wordt gecreëerd,” legde Yáñez uit. “In Spanje produceren we tegenwoordig maar liefst 20 procent van onze energie uit de wind, maar als we het hebben over de distributie van energie is de koning het zonnepaneel.”
“We ontwerpen een nieuw instrument om energie uit de wind op te vangen en we hebben geprobeerd het resonantieverschijnsel dat optreedt te vergroten,” voegde Yáñez eraan toe.
Bladloze turbines zijn tandwielloze, olieloze, stille, onschadelijk voor vogels, onderhoudsarm en kostenbesparend, self-running en standalone, voor opwekking ter plaatse en snelle aanpassing aan windveranderingen.
Vortex-technologie
De buitenste cilinder van het Vortex Bladeless systeem is ontworpen om grotendeels stijf te zijn en heeft het vermogen om te vibreren, terwijl hij verankerd blijft aan de onderste stang. De top van de cilinder is ongedwongen en zorgt voor de maximale amplitude van de trilling. De constructie is gebouwd met harsen die zijn versterkt met koolstof- en/of glasvezels, dezelfde materialen die in conventionele windturbinebladen worden gebruikt.
De bovenkant van de staaf ondersteunt de mast en de onderkant is stevig verankerd aan de grond. Hij is gebouwd van met koolstofvezel versterkt polymeer, dat een weerstand tegen vermoeiing biedt en een minimale energielekkage heeft bij het oscilleren. Het ontwerp van dit blaasloze inductiesysteem verschilt nogal van dat van een traditionele turbine. In plaats van de gebruikelijke toren, gondel en bladen, maken de Vortex-systemen gebruik van een enkele mast van lichtgewicht materialen boven een basis. Traditionele windturbines zoals HAWT (horizontal axis windturbines) en VAWT (vertical axis windturbines) werken door rotatie, terwijl het Vortex Bladeless apparaat werkt door oscillatie.
Het ontwikkelingsproces vereist zorgvuldig onderzoek van het apparaat en een goed begrip van het gedrag ervan in verschillende windomstandigheden. De resonantie van de mast en de wervelingen die ontstaan als de wind over het apparaat gaat, moeten van gelijke frequentie zijn om de oscillatiebeweging te laten plaatsvinden en energie op te wekken.
We moeten beginnen ons apparaat te visualiseren en hier is Altair een sleutelfactor. Om ons te helpen begrijpen hoe onze structuur met de wind interageert,” verklaarde Yáñez. Wanneer de frequentie van de wervelingen dicht bij de resonantiefrequentie van onze mast ligt, beginnen we energie te produceren. We werken veel met AcuSolve en met HyperMesh om deze mesh op te bouwen.”
De presentatie beschreef de ontwikkeling van de mesh voor de mast, waarbij de vorm wordt opgedeeld in een aantal cellen. Yáñez beschreef hoe belangrijk de groei van deze cellen is om te begrijpen of de resultaten van de computertests kunnen worden geverifieerd in een test in de echte wereld. Met AcuSolve en FieldView kunnen we de resultaten begrijpen, waardoor we de kennis die we met deze simulatie hebben verkregen, kunnen overbrengen naar onze apparaten,’ vervolgde Yáñez.
Bij de eerste tests werden enkele problemen met het ontwerp gevonden die het team met wat out of the box-denken kon oplossen. We zagen dat de prestaties van ons apparaat niet waren wat we ervan verwachtten. Op een dag begon ik een ander gebied te bestuderen, namelijk een gebied van de wetenschap waar mensen de wervelingen bestudeerden die werden gecreëerd door de staarten van vissen en in de vleugels van vogels,’ merkt Yáñez op. Ik nam hun formules en mengde ze met de formule die gebruikt wordt door bouwkundig ingenieurs, en we kregen een nieuwe formule die ons leidde tot de ontwikkeling van een andere geometrie. Met deze nieuwe geometrie verhoogden we onze prestaties.’
De veranderingen in het mastontwerp stelden de ingenieurs in staat om de grootte van de mast te vergroten, waardoor de ontwikkeling naar een systeem op volledige productiemaat werd bevorderd. “Een paar maanden geleden zijn we begonnen met vijf apparaten van 2,5 meter hoogte die meer hebben die geschikt zouden zijn om energie te produceren in woningen. Maar we zagen in reële omstandigheden dat deze apparaten in staat zijn om zich zeer snel aan te passen aan veranderingen in de windrichting en -snelheid, omdat we geen enkele vorm van spin of momentum hebben,” concludeerde Yáñez.
Hoewel tweedimensionale simulaties nuttig zijn, is VIV een 3D-fenomeen en als zodanig vereist het de grootschalige CFD-simulaties die zijn ontwikkeld door Yáñez en zijn collega’s. Aangezien het om een nieuwe technologie gaat, moet er veel werk worden verricht om ervoor te zorgen dat de apparaten zich gedragen zoals verwacht en energie produceren met de vereiste efficiëntie. Dit betekent dat nieuwe modellen moeten worden gemaakt die moeten worden gevalideerd. Deze 3D-simulaties zijn gebaseerd op het getal van Reynolds, een belangrijke dimensieloze grootheid in de vloeistofmechanica die wordt gebruikt om stromingspatronen in verschillende vloeistofstromingssituaties te helpen voorspellen
Voor deze simulaties is een grote hoeveelheid rekenkracht nodig, zodat de ingenieurs met Altair en het Barcelona Supercomputing Center (BSC) hebben gependeld om de beste manier te vinden om op een betaalbare manier optimale resultaten te bereiken.
Simuleren van groei
Een andere reden voor grootschalige simulatie van windturbines is om concurrerend te blijven in een steeds moeilijker markt. De wereldwijde markt voor hernieuwbare energie zal naar verwachting van 2018 tot 2024 groeien met een samengesteld jaarlijks percentage van 13,1 procent, volgens Envision Intelligence. Dit enorme groeipotentieel drijft de concurrentie aan. Als gevolg daarvan zoeken bedrijven naar manieren om concurrenten een stap voor te blijven.
Eerder in 2019 kondigde Ansys details aan van zijn partnerschap met WEG, een Braziliaans engineeringbedrijf dat wil profiteren van de groei in de energiesector. Het bedrijf koos voor Ansys vanwege de ‘alomtegenwoordige simulatie’ die bedrijven in staat stelt om snel te itereren en te innoveren in elk aspect van de levenscyclus van een ontwerp.
In een blogpost merkte Ahmad Haidari, global industry director bij Ansys, op dat ‘WEG voor de alomtegenwoordige simulatie van Ansys heeft gekozen om de structurele, elektromagnetische, thermische en vloeistofprestaties van al zijn producten te beoordelen.’
De ingenieurs van WEG ontwikkelen een windturbine met directe aandrijving van 4 mW die aan hoge efficiëntie en lage onderhoudseisen moet voldoen. Door het vermogen van zijn huidige 2,1mW-platform bijna te verdubbelen, hoopt WEG dat zijn nieuwe ontwerp aan de toenemende vraag kan blijven voldoen. De ingenieurs maken gebruik van diverse alomvattende simulatietools om hun ontwerpen gedurende hun hele levenscyclus te testen en te ontwikkelen,” vervolgt Haidari. De ingenieurs in dit project maakten gebruik van verschillende Ansys-tools, waaronder Ansys Mechanical, Ansys Maxwell en Ansys DesignXplorer.
Het hogere vermogen dat nodig is om de prestaties van een windturbine te verdubbelen, veroorzaakt een hoge dynamische belasting op de structurele componenten. WEG-ingenieurs gebruiken Ansys Mechanical om de verschillende belastingsgevallen in de structuur te evalueren.
“De adapter voor de gondeltoren, die bovenop de betonnen toren zit en het gewicht draagt van de turbinebladen die aan de voorkant zijn gemonteerd, moet bestand zijn tegen extreme belastingen en tegelijk plastische vervorming en verschuiving vermijden. Ingenieurs gebruiken structurele simulatie om de spanningen op de hals en op laspunten te evalueren. Om hun vermoeiingsanalyse te voltooien, gebruiken de ingenieurs Ansys nCode DesignLife,” voegde Haidari eraan toe.
Kritieke laspunten in de hele structuur zijn potentiële gebieden van structurele zwakte. Met behulp van Mechanical en DesignXplorer evalueren de WEG-ingenieurs deze plekken om er zeker van te zijn dat ze bestand zijn tegen de grootste belastingen die ze zouden ondervinden,” vervolgt Haidari.
WEG-ingenieurs gebruiken Ansys Maxwell om de laagfrequente elektromagnetische velden te simuleren die door de turbine worden geproduceerd tijdens normaal bedrijf. Deze simulaties evalueren het koppel, de geïnduceerde spanning, de verliezen en de verzadiging van de magnetische kern.
“Het minimaliseren van harmonische stromen tussen de generator en de stroomconvertor is van cruciaal belang voor veilige en optimale prestaties van de windturbine. Om de totale harmonische vervorming laag te houden, hebben de ingenieurs Maxwell-simulaties gebruikt om de positionering van de magneten te analyseren, de opgewekte spanning te bepalen en het harmonische spectrum te beoordelen,” verklaarde Haidari.
“Doordringende simulatie is doorgedrongen in elk aspect van het ontwerp van de windturbines van WEG. Hetzelfde kan worden gezegd over de andere producten die WEG maakt, zoals haar turbogeneratoren en hydrogeneratoren.”
Dit verhaal verschijnt hier als onderdeel van een cross-publishing overeenkomst met Scientific Computing World.
Schrijf je in voor onze insideHPC Nieuwsbrief