V tomto speciálním článku Robert Roe z časopisu Scientific Computing World píše, že HPC simulace poskytují platformu pro vývoj pokrokových technologií výroby energie.
Vortex Bladeless je aerogenerátor šetrný k životnímu prostředí, který nepotřebuje žádné lopatky.
Pomocí špičkové simulace vyvíjejí softwaroví inženýři nové inovativní technologie větrné energie a zvyšují účinnost a životnost větrných turbín. Snaha o nalezení udržitelných zdrojů energie je jedním z nejnaléhavějších problémů společnosti. Vývoj pokročilých udržitelných zdrojů energie nabízí nejen zvýšení výkonu a účinnosti výroby energie, ale také alternativu k fosilním palivům.
Zdroje fosilních paliv jsou stále vzácnější, a tak obnovitelné zdroje, jako je větrná a solární energie, poskytují více energie než kdy dříve. Například Velká Británie si stanovila cíl, že do roku 2020 bude 20 % její celkové energie vyrobeno z obnovitelných zdrojů.
Zvýšení účinnosti technologií, jako jsou solární panely a větrné turbíny, je spolu s výrobními a produkčními náklady klíčovou výzvou pro úspěch obnovitelných zdrojů energie.
Používání modelovacího a simulačního softwaru nabízí cestu k inovacím, protože simulace ve velkém měřítku lze využít k návrhu nových systémů a zvýšení účinnosti stávajících technologií, aby byly ekonomicky životaschopnější.
David Yáñez, spoluzakladatel španělského technologického startupu Vortex Bladeless
Na britské konferenci Altair Technology Conference (ATC) 2019 představil David Yáñez, spoluzakladatel španělského technologického startupu Vortex Bladeless, návrh společnosti na novou technologii větrné energie. Jednou z klíčových vlastností tohoto systému je redukce mechanických prvků, které se mohou opotřebovávat třením. Společnost vyvinula technologii s využitím nástrojů CFD poskytnutých společností Altair, které jí pomohly studovat jak interakci tekutiny a struktury, tak chování magnetických polí v alternátoru. Výsledky jsou pak porovnávány s experimentálními výsledky získanými jak v aerodynamickém tunelu, tak v prostředí reálných aplikací.
Vortex Bladeless je rezonanční větrný generátor s vířivými vibracemi. Využívá větrnou energii z jevu víření zvaného vortex shedding. Vortex shedding je kmitavé proudění, ke kterému dochází, když tekutina, jako je vzduch nebo voda, proudí kolem srázu určitou rychlostí. V mechanice tekutin se při průchodu větru tupým tělesem proudění mění a vytváří cyklický vzorec vírů.
Jakmile se frekvence těchto sil dostatečně přiblíží strukturální frekvenci tělesa, těleso začne kmitat a vstupuje do rezonance s větrem. To je také známé jako vibrace vyvolané víry (VIV).
Geometrie stožáru Vortex je navržena tak, aby bylo dosaženo maximálního výkonu na základě průměrných pozorovaných rychlostí větru. Je schopen se velmi rychle přizpůsobit změnám směru větru a turbulentnímu proudění vzduchu, které se běžně vyskytuje v městském prostředí.
Rušení proudění větru po proudu je důvodem, proč musí být běžné turbíny instalovány v určité vzdálenosti od sebe. To však není případ systému VIV, protože odpadají veškerá omezení spojená s „wake efektem“. Společnost navíc očekává, že vírová zařízení budou lépe spolupracovat, způsobovat zpětnou vazbu a zvyšovat rychlost vírů, pokud budou mít kolem sebe odpovídající volný prostor, který se odhaduje na polovinu celkové výšky zařízení.
U běžných větrných turbín je tento volný prostor obvykle pětinásobkem celkové výšky zařízení.
Bezlopatková technologie se skládá z válce upevněného vertikálně pomocí pružné tyče. Válec za určitých větrných podmínek kmitá, což následně generuje elektrickou energii prostřednictvím systému alternátoru.
Resonance je skvělý způsob přenosu energie z tekutiny na konstrukci. Rezonanci získáme, když jsou dvě frekvence blízko sebe, například vlastní frekvence konstrukce a v tomto příkladu frekvence, která je vytvářena těmito víry,“ vysvětlil Yáñez. „Ve Španělsku dnes vyrábíme až 20 procent energie z větru, ale když mluvíme o distribuci energie, králem je solární panel.“
„Navrhujeme nový nástroj pro sběr energie z větru a snažili jsme se zvýšit, rezonanční jev, který se objevuje,“ dodal Yáñez.
Bezlopatkové turbíny jsou bez převodovky, bez oleje, tiché, neškodné pro ptáky, nenáročné na údržbu a náklady, samočinné a autonomní, pro výrobu na místě a rychlé přizpůsobení změnám větru.
Technologie Vortex
Vnější válec systému Vortex Bladeless je navržen tak, aby byl do značné míry tuhý a měl schopnost vibrovat, přičemž zůstává ukotven ke spodní tyči. Horní část válce není nijak omezena a zajišťuje maximální amplitudu kmitání. Konstrukce je vyrobena z pryskyřic vyztužených uhlíkovými a/nebo skleněnými vlákny, tedy ze stejných materiálů, jaké se používají v lopatkách běžných větrných turbín.
Vrchní část tyče podpírá stožár a její spodní část je pevně ukotvena k zemi. Je vyrobena z polymeru vyztuženého uhlíkovými vlákny, který zajišťuje odolnost proti únavě a má minimální únik energie při kmitání. Konstrukce tohoto bezlopatkového indukčního systému je zcela odlišná od tradiční turbíny. Namísto obvyklé věže, gondoly a lopatek používají systémy Vortex jediný stožár z lehkých materiálů nad základnou. Tradiční větrné turbíny, jako jsou HAWT (větrné turbíny s horizontální osou) a VAWT (větrné turbíny s vertikální osou), pracují na základě rotace, kdežto zařízení Vortex Bladeless pracuje na základě oscilace.
Proces vývoje vyžaduje pečlivé zkoumání zařízení a pochopení jeho chování v různých větrných podmínkách. Rezonance stožáru a vírů, které vznikají při průchodu větru přes zařízení, musí mít podobnou frekvenci, aby docházelo ke kmitavému pohybu a generování energie.
Naše zařízení si musíme začít představovat a zde je jedním z klíčových faktorů Altair. Aby nám pomohl pochopit, jak naše konstrukce interaguje s větrem,“ uvedl Yáñez. Když se frekvence vírů přiblíží rezonanční frekvenci našeho stožáru, pak začneme vyrábět energii. Při vytváření této sítě hodně pracujeme s programem AcuSolve a s programem HyperMesh.“
Prezentace popisovala vývoj sítě pro stožár, která rozkládá tvar na řadu buněk. Yáñez popsal, jak je růst těchto buněk velmi důležitý pro pochopení, zda lze výsledky počítačového testování ověřit v reálném testu. ‚Potřebujeme zjistit, jak blízko jsme reálným podmínkám, a díky AcuSolve a FieldView jsme schopni porozumět výsledkům, což nám umožňuje přenést poznatky, které jsme získali pomocí této simulace, do našich zařízení,‘ pokračoval Yáñez.
Počáteční testování odhalilo některé problémy s konstrukcí, které tým dokázal překonat pomocí netradičního myšlení. ‚Viděli jsme, že výkon našeho zařízení není takový, jaký jsme očekávali. Jednoho dne jsem začal studovat jinou oblast, a to oblast vědy, kde lidé studovali víry vytvářené v ocasech ryb a v křídlech ptáků,‘ komentuje Yáñez. ‚Vzal jsem jejich vzorce a smíchal je se vzorcem, který používají stavební inženýři, a získali jsme nový vzorec, který nás vedl k vývoji další geometrie. Díky této nové geometrii jsme zvýšili náš výkon.“
Změny v konstrukci stožáru umožnily inženýrům zvětšit jeho velikost a pokračovat ve vývoji směrem k systému v plné výrobní velikosti. „Před několika měsíci jsme začali vyrábět pět zařízení o výšce 2,5 metru, která mají více, než by bylo vhodné pro výrobu energie v domácnostech. V reálných podmínkách jsme však viděli, že tato zařízení jsou schopna se velmi rychle přizpůsobit změnám směru a rychlosti větru, protože nemáme žádný druh rotace nebo hybnosti,“ uzavřel Yáñez.
Ačkoli jsou dvourozměrné simulace užitečné, VIV je 3D jev a jako takový vyžaduje rozsáhlé CFD simulace, které Yáñez a jeho kolegové vyvinuli. Vzhledem k tomu, že se jedná o novou technologii, je třeba vykonat mnoho práce, aby se zajistilo, že se zařízení budou chovat podle očekávání a vyrábět energii s požadovanou účinností. To znamená vytvoření nových modelů, které musí být ověřeny. Tyto 3D simulace jsou založeny na Reynoldsově čísle, což je důležitá bezrozměrná veličina v mechanice tekutin, která se používá k předpovídání vzorců proudění v různých situacích proudění tekutin
Tyto simulace vyžadují velké množství výpočetních prostředků, takže inženýři pareternovali se společností Altair a barcelonským superpočítačovým centrem (BSC), aby našli nejlepší způsob, jak dosáhnout optimálních výsledků cenově dostupným způsobem.
Simulování růstu
Dalším důvodem pro rozsáhlé simulace větrných turbín je udržení konkurenceschopnosti na stále obtížnějším trhu. Podle společnosti Envision Intelligence se očekává, že celosvětový trh s obnovitelnými zdroji energie poroste v letech 2018 až 2024 tempem 13,1 % ročně. Tento obrovský potenciál růstu je hnací silou konkurence. V důsledku toho společnosti hledají způsoby, jak zůstat o krok před konkurencí.
Na začátku roku 2019 společnost Ansys oznámila podrobnosti o partnerství s brazilskou strojírenskou společností WEG, která chce využít růstu v energetickém odvětví. Společnost si vybrala Ansys díky jeho „všudypřítomné simulaci“, která umožňuje společnostem rychle iterovat a inovovat ve všech aspektech životního cyklu návrhu.
Ahmad Haidari, globální průmyslový ředitel společnosti Ansys, v příspěvku na svém blogu uvedl, že „společnost WEG si vybrala všudypřítomnou simulaci Ansys k posouzení konstrukčních, elektromagnetických, tepelných a fluidních vlastností všech svých výrobků.“
Inženýři společnosti WEG vyvíjejí větrnou turbínu s přímým pohonem o výkonu 4 mW s vysokou účinností a nízkými nároky na údržbu. Společnost WEG doufá, že díky téměř zdvojnásobení výkonu své současné 2,1mW platformy bude její nová konstrukce držet krok s rostoucími požadavky. Inženýři využívají řadu všudypřítomných simulačních nástrojů k testování a vývoji svých návrhů po celou dobu jejich životního cyklu,“ pokračoval Haidari. Inženýři v tomto projektu využili několik nástrojů Ansys včetně Ansys Mechanical, Ansys Maxwell a Ansys DesignXplorer.
Zvýšený výkon spojený se zdvojnásobením výkonu větrné turbíny způsobuje vysoké dynamické zatížení konstrukčních součástí. Inženýři společnosti WEG používají Ansys Mechanical k vyhodnocení různých případů zatížení celé konstrukce.
„Adaptér na vrcholu gondoly, který je umístěn na vrcholu betonové věže a nese hmotnost lopatek turbíny namontovaných na jeho přední straně, musí odolávat extrémnímu zatížení a zároveň se vyhnout plastické deformaci a prokluzu. Inženýři používají strukturální simulaci k vyhodnocení napětí na krku a v místech svařování. K dokončení analýzy únavových poruch inženýři používají Ansys nCode DesignLife,“ dodal Haidari.
Kritická místa svařování v celé konstrukci jsou potenciálními oblastmi slabých míst konstrukce. Pomocí aplikací Mechanical a DesignXplorer inženýři společnosti WEG tato místa vyhodnocují, aby se ujistili, že vydrží největší zatížení, kterému by byla vystavena,“ pokračoval Haidari.
Inženýři společnosti WEG používají Ansys Maxwell k simulaci nízkofrekvenčních elektromagnetických polí, která turbína vytváří při běžném provozu. Tyto simulace vyhodnocují točivý moment, indukované napětí, ztráty a nasycení magnetického jádra.
„Minimalizace harmonických proudů mezi generátorem a měničem výkonu je rozhodující pro bezpečný a optimální výkon větrné turbíny. Pro udržení nízkého celkového harmonického zkreslení použili inženýři Maxwellovy simulace k analýze polohy magnetů, určení generovaného napětí a posouzení harmonického spektra,“ uvedl Haidari.
„Všudypřítomná simulace pronikla do všech aspektů návrhu větrných turbín společnosti WEG. Totéž lze říci i o dalších produktech společnosti WEG, jako jsou její turbogenerátory a hydrogenerátory.“
Tento článek se zde objevuje v rámci křížové publikační dohody s časopisem Scientific Computing World.
Přihlaste se k odběru newsletteru insideHPC