W tym artykule Robert Roe z Scientific Computing World pisze, że symulacje HPC zapewniają platformę do rozwoju zaawansowanych technologii wytwarzania energii.
Vortex Bladeless to przyjazny dla środowiska aerogenerator, który nie potrzebuje łopat.
Dzięki wykorzystaniu najnowocześniejszych symulacji, inżynierowie oprogramowania opracowują nowe, innowacyjne technologie energii wiatrowej oraz zwiększają wydajność i trwałość turbin wiatrowych. Dążenie do znalezienia zrównoważonych źródeł energii jest jednym z najpilniejszych problemów, z jakimi boryka się społeczeństwo. Rozwój zaawansowanych zrównoważonych źródeł energii oferuje nie tylko wzrost mocy i wydajności wytwarzania energii, ale także alternatywę dla paliw kopalnych.
Zasoby paliw kopalnych stają się coraz rzadsze, więc odnawialne źródła energii, takie jak wiatr i energia słoneczna, dostarczają więcej mocy niż kiedykolwiek wcześniej. Na przykład Wielka Brytania postawiła sobie za cel, aby do 2020 roku 20 procent całkowitej energii było wytwarzane ze źródeł odnawialnych.
Zwiększenie wydajności technologii takich jak panele słoneczne i turbiny wiatrowe jest kluczowym wyzwaniem dla sukcesu odnawialnych źródeł energii, wraz z kosztami produkcji i wytwarzania.
Wykorzystanie oprogramowania do modelowania i symulacji oferuje drogę do innowacji, ponieważ symulacja na dużą skalę może być zatrudniona do pomocy w projektowaniu nowych systemów i zwiększania wydajności istniejących technologii, aby uczynić je bardziej ekonomicznie opłacalnymi.
David Yáñez, współzałożyciel hiszpańskiego tech-startupu, Vortex Bladeless
Na brytyjskiej konferencji Altair Technology Conference (ATC) 2019, David Yáñez, współzałożyciel hiszpańskiego tech-startupu, Vortex Bladeless, przedstawił projekt firmy dotyczący nowej technologii energii wiatrowej. Jedną z kluczowych cech tego systemu jest redukcja elementów mechanicznych, które mogą być zużywane przez tarcie. Firma opracowała technologię przy użyciu narzędzi CFD dostarczonych przez Altair, które pomogły firmie zbadać zarówno interakcję płyn-struktura, jak i zachowanie pól magnetycznych w alternatorze. Wyniki zostały następnie porównane z wynikami eksperymentalnymi uzyskanymi zarówno w tunelu aerodynamicznym, jak i w warunkach rzeczywistego zastosowania.
Vortex Bladeless to rezonansowy generator wiatru z drganiami wywołanymi przez wir. Wykorzystuje on energię wiatru z zjawiska wirowości zwanego vortex shedding. Wyrzucanie wirów to przepływ oscylacyjny, który ma miejsce, gdy płyn taki jak powietrze lub woda przepływa obok urwiska z określoną prędkością. W mechanice płynów, gdy wiatr przechodzi przez ciało tępe, przepływ jest modyfikowany i generuje cykliczny wzór wirów.
Gdy częstotliwość tych sił jest wystarczająco bliska częstotliwości strukturalnej ciała, ciało zaczyna oscylować i wchodzi w rezonans z wiatrem. Jest to również znane jako wibracje wywołane przez wir (VIV).
Geometria masztu Vortexa została zaprojektowana tak, aby osiągnąć maksymalną wydajność w oparciu o średnie obserwowane prędkości wiatru. Jest on w stanie bardzo szybko dostosować się do zmian kierunku wiatru i turbulentnych przepływów powietrza powszechnie obserwowanych w środowiskach miejskich.
Zakłócenie prądu wiatru w dolnym biegu powoduje, że zwykłe turbiny muszą być instalowane w pewnej odległości od siebie. Nie dotyczy to jednak systemu VIV, ponieważ unika się wszelkich ograniczeń związanych z „efektem przebudzenia”. Co więcej, firma oczekuje, że urządzenia Vortex będą lepiej współpracować, powodując sprzężenie zwrotne i zwiększając prędkość wirów, jeśli będą miały wokół siebie odpowiednią wolną przestrzeń, którą szacuje się na połowę całkowitej wysokości urządzenia.
W przypadku zwykłych turbin wiatrowych, ta wolna przestrzeń jest zazwyczaj pięciokrotnością całkowitej wysokości urządzenia.
Technologia bezłopatkowa składa się z cylindra zamocowanego pionowo za pomocą elastycznego pręta. Cylinder oscyluje w określonych warunkach wiatrowych, co następnie generuje energię elektryczną poprzez system alternatorów.
Rezonans jest doskonałym sposobem na przeniesienie energii z płynu do struktury. Uzyskujemy rezonans, gdy dwie częstotliwości są blisko siebie, na przykład częstotliwość naturalna struktury i, w tym przykładzie, częstotliwość, która jest tworzona przez te wiry,” wyjaśnił Yáñez. „W Hiszpanii dzisiaj produkujemy aż 20 procent naszej energii z wiatru, ale kiedy mówimy o dystrybucji energii królem jest panel słoneczny.”
„Projektujemy nowe narzędzie do zbierania energii z wiatru i staraliśmy się zwiększyć, zjawisko rezonansu, które się pojawia,” dodał Yáñez.
Bezłopatkowe turbiny są bezprzekładniowe, bezolejowe, ciche, nieszkodliwe dla ptaków, o niskich kosztach utrzymania, samobieżne i autonomiczne, do wytwarzania na miejscu i szybkiej adaptacji do zmian wiatru.
Technologia Vortex
Zewnętrzny cylinder systemu Vortex Bladeless został zaprojektowany tak, aby był w dużym stopniu sztywny i miał zdolność do wibracji, pozostając zakotwiczonym do dolnego pręta. Górna część cylindra jest nieskrępowana i zapewnia maksymalną amplitudę oscylacji. Konstrukcja jest zbudowana z żywic wzmocnionych włóknem węglowym i/lub szklanym, tych samych materiałów, które są używane w konwencjonalnych łopatach turbin wiatrowych.
Górna część pręta podtrzymuje maszt, a jego dolna część jest mocno zakotwiczona do podłoża. Zbudowany jest on z polimeru wzmocnionego włóknem węglowym, co zapewnia mu odporność na zmęczenie i minimalny wyciek energii podczas oscylacji. Konstrukcja tego bezłopatkowego systemu indukcyjnego jest zupełnie inna od tradycyjnej turbiny. Zamiast zwykłej wieży, gondoli i łopat, system Vortex wykorzystuje pojedynczy maszt z lekkich materiałów umieszczony nad podstawą. Tradycyjne turbiny wiatrowe, takie jak HAWT (turbiny wiatrowe o osi poziomej) i VAWT (turbiny wiatrowe o osi pionowej) działają poprzez rotację, podczas gdy urządzenie bezłopatkowe Vortex działa poprzez oscylację.
Proces rozwoju wymaga dokładnego zbadania urządzenia i zrozumienia jego zachowania w różnych warunkach wiatrowych. Rezonans masztu i wirów wytwarzanych przez wiatr przechodzący przez urządzenie musi mieć podobną częstotliwość, aby ruch oscylacyjny mógł zachodzić i generować energię.
Musimy zacząć wizualizować nasze urządzenie i tutaj jednym z kluczowych czynników jest Altair. Pomoże nam zrozumieć, jak nasza konstrukcja oddziałuje z wiatrem” – stwierdził Yáñez. Kiedy częstotliwość wirów jest zbliżona do częstotliwości rezonansowej naszego masztu, zaczynamy produkować energię. Dużo pracujemy z AcuSolve i HyperMesh, aby zbudować tę siatkę.”
Prezentacja opisywała rozwój siatki dla masztu, która rozbija kształt na szereg komórek. Yáñez opisał, jak wzrost tych komórek jest bardzo ważne, aby zrozumieć, czy wyniki badań komputerowych można zweryfikować w teście w świecie rzeczywistym. 'Musimy sprawdzić, jak blisko jesteśmy rzeczywistych warunków, a dzięki AcuSolve i FieldView jesteśmy w stanie zrozumieć wyniki, co pozwala nam przenieść wiedzę, którą uzyskaliśmy dzięki tej symulacji do naszych urządzeń,’ kontynuował Yáñez.
W początkowych testach znaleziono pewne problemy z projektem, które zespół był w stanie przezwyciężyć dzięki nieszablonowemu myśleniu. Widzieliśmy, że wydajność naszego urządzenia nie była taka, jakiej oczekujemy. Pewnego dnia zacząłem studiować inną dziedzinę nauki, w której ludzie badali wiry tworzone przez ogony ryb i skrzydła ptaków’ – komentuje Yáñez. Wziąłem ich wzory i zmieszałem je z wzorami stosowanymi przez inżynierów strukturalnych, dzięki czemu otrzymaliśmy nowy wzór, który doprowadził nas do opracowania innej geometrii. Dzięki tej nowej geometrii zwiększyliśmy nasze osiągi.’
Zmiany w projekcie masztu pozwoliły inżynierom na zwiększenie jego rozmiaru, co przyczyniło się do rozwoju w kierunku systemu w pełni produkcyjnego. „Kilka miesięcy temu uruchomiliśmy pięć urządzeń o wysokości 2,5 metra, które mają więcej, które nadawałyby się do produkcji energii w domach. Ale widzieliśmy w rzeczywistych warunkach, że te urządzenia są w stanie dostosować się bardzo szybko do zmian w kierunku wiatru i prędkości, ponieważ nie mamy żadnego rodzaju wiru lub pędu,” podsumował Yáñez.
Choć dwuwymiarowe symulacje są przydatne, VIV jest zjawiskiem 3D i jako takie wymaga symulacji CFD na dużą skalę, które zostały opracowane przez Yáñeza i jego kolegów. Ponieważ jest to nowa technologia, trzeba wykonać wiele pracy, aby zapewnić, że urządzenia zachowują się zgodnie z oczekiwaniami i produkują energię z wymaganą wydajnością. Oznacza to stworzenie nowych modeli, które muszą zostać zatwierdzone. Symulacje 3D opierają się na liczbie Reynoldsa, ważnej bezwymiarowej wielkości w mechanice płynów, używanej do przewidywania wzorców przepływu w różnych sytuacjach związanych z przepływem płynów
Symulacje te wymagają dużej ilości zasobów obliczeniowych, więc inżynierowie współpracowali z firmą Altair i Centrum Superkomputerowym w Barcelonie (BSC), aby znaleźć najlepszy sposób na osiągnięcie optymalnych wyników w przystępny sposób.
Symulacja wzrostu
Innym powodem symulacji turbin wiatrowych na dużą skalę jest utrzymanie konkurencyjności na coraz trudniejszym rynku. Oczekuje się, że globalny rynek energii odnawialnej będzie rósł w tempie 13,1 procent rocznie od 2018 do 2024 roku, według Envision Intelligence. Ten ogromny potencjał wzrostu napędza konkurencję. W rezultacie firmy szukają sposobów, aby być o krok przed konkurentami.
Wcześniej w 2019 roku Ansys ogłosił szczegóły partnerstwa z WEG, brazylijską firmą inżynieryjną, która chce wykorzystać wzrost w sektorze energetycznym. Firma wybrała Ansys ze względu na „wszechobecną symulację”, która umożliwia firmom szybką iterację i innowacje w każdym aspekcie cyklu życia projektu.
W swoim wpisie na blogu Ahmad Haidari, globalny dyrektor ds. przemysłu w firmie Ansys, zauważył, że „WEG wybrała wszechobecną symulację Ansys do oceny strukturalnych, elektromagnetycznych, termicznych i płynnych parametrów wszystkich swoich produktów.”
Inżynierowie WEG opracowują turbinę wiatrową o mocy 4 mW z napędem bezpośrednim o wysokiej wydajności i niskich wymaganiach konserwacyjnych. Dzięki prawie dwukrotnemu zwiększeniu mocy w stosunku do obecnej platformy o mocy 2,1 MW, WEG ma nadzieję, że nowa konstrukcja będzie w stanie sprostać rosnącym wymaganiom. Inżynierowie wykorzystują szereg wszechobecnych narzędzi symulacyjnych do testowania i rozwijania swoich projektów w całym cyklu ich życia,” kontynuuje Haidari. Inżynierowie w tym projekcie korzystali z kilku narzędzi Ansys, w tym Ansys Mechanical, Ansys Maxwell i Ansys DesignXplorer.
Większa moc wyjściowa związana z podwojeniem wydajności turbiny wiatrowej powoduje duże obciążenia dynamiczne elementów konstrukcyjnych. Inżynierowie WEG używają programu Ansys Mechanical do oceny różnych przypadków obciążeń w całej konstrukcji.
„Górny adapter gondoli, który znajduje się na szczycie betonowej wieży i przenosi ciężar łopat turbiny zamontowanych na jego przedniej części, musi wytrzymać ekstremalne obciążenia, unikając jednocześnie odkształceń plastycznych i poślizgu. Inżynierowie wykorzystują symulację strukturalną do oceny naprężeń w szyjce i w punktach spawania. Aby zakończyć analizę uszkodzeń zmęczeniowych, inżynierowie używają programu Ansys nCode DesignLife” – dodaje Haidari.
Krytyczne miejsca spawania w całej konstrukcji są potencjalnymi regionami słabości strukturalnej. Używając Mechanical i DesignXplorer, inżynierowie WEG oceniają te miejsca, aby upewnić się, że wytrzymają największe obciążenia, jakich mogą doświadczyć” – kontynuuje Haidari.
Inżynierowie WEG używają Ansys Maxwell do symulacji pól elektromagnetycznych o niskiej częstotliwości wytwarzanych przez turbinę podczas normalnej pracy. Symulacje te oceniają moment obrotowy, napięcie indukowane, straty i nasycenie rdzenia magnetycznego.
„Minimalizacja prądów harmonicznych pomiędzy generatorem a konwerterem mocy jest krytyczna dla bezpiecznego i optymalnego działania turbiny wiatrowej. Aby utrzymać niskie całkowite zniekształcenia harmoniczne, inżynierowie wykorzystali symulacje Maxwella do analizy położenia magnesów, określenia generowanego napięcia i oceny widma harmonicznych,” stwierdził Haidari.
„Wszechobecna symulacja znalazła zastosowanie w każdym aspekcie projektowania turbin wiatrowych WEG. To samo można powiedzieć o innych produktach wytwarzanych przez WEG, takich jak turbogeneratory i hydrogeneratory.”
Ta historia pojawia się tutaj jako część umowy o wzajemnej publikacji z Scientific Computing World.
Zapisz się na nasz biuletyn insideHPC