Neste recurso especial para convidados, Robert Roe da Scientific Computing World escreve que a simulação HPC fornece uma plataforma para desenvolver avanços nas tecnologias de geração de energia.
Vortex Bladeless é um aerogerador ecológico que não necessita de pás.
Através do uso de simulação de vanguarda, os engenheiros de software estão desenvolvendo uma nova tecnologia inovadora de energia eólica e aumentando a eficiência e durabilidade das turbinas eólicas. A vontade de encontrar fontes de energia sustentáveis é uma das preocupações mais prementes da sociedade. O desenvolvimento de fontes avançadas de energia sustentável oferece não só um aumento de potência e eficiência na geração de energia, mas também uma alternativa aos combustíveis fósseis.
Os recursos de combustíveis fósseis estão se tornando mais escassos e, portanto, fontes renováveis como a energia eólica e solar estão fornecendo mais energia do que nunca. O Reino Unido, por exemplo, estabeleceu uma meta de 20% de sua energia total sendo produzida por fontes renováveis até 2020.
Aumentar a eficiência de tecnologias como painéis solares e turbinas eólicas é um desafio-chave para o sucesso das fontes de energia renováveis, juntamente com os custos de produção e fabricação.
O uso de software de modelagem e simulação oferece o caminho para a inovação, pois a simulação em larga escala pode ser empregada para ajudar a projetar novos sistemas e aumentar a eficiência das tecnologias existentes para torná-los mais economicamente viáveis.
David Yáñez, co-fundador da empresa técnica espanhola Vortex Bladeless
Na Conferência de Tecnologia Altair (ATC) 2019, David Yáñez, co-fundador da empresa técnica espanhola Vortex Bladeless, apresentou o projeto da empresa para uma nova tecnologia de energia eólica. Uma das principais características deste sistema é a redução de elementos mecânicos que podem ser desgastados por fricção. A empresa desenvolveu a tecnologia utilizando ferramentas CFD fornecidas pela Altair, que ajudaram a empresa a estudar tanto a interacção fluido-estrutura como o comportamento dos campos magnéticos no alternador. Os resultados são então comparados com os resultados experimentais obtidos tanto em túnel de vento como em ambientes reais de aplicação.
Vortex Bladeless é um gerador de vento ressonante de vibração induzida por vórtices. Ele aproveita a energia do vento a partir de um fenômeno de vorticidade chamado vortex shedding. O desprendimento de vórtices é um fluxo oscilante que ocorre quando um fluido como ar ou água passa por um blefe a determinadas velocidades. Na mecânica dos fluidos, quando o vento passa por um corpo rombo, o fluxo é modificado e gera um padrão cíclico de vórtices.
Após a frequência destas forças estar suficientemente próxima da frequência estrutural do corpo, o corpo começa a oscilar e entra em ressonância com o vento. Isto também é conhecido como vibração induzida pelo vórtice (VIV).
A geometria do mastro do vórtice é projetada para atingir o máximo desempenho com base na média das velocidades do vento observadas. Ele é capaz de se adaptar muito rapidamente às mudanças de direção do vento e aos fluxos de ar turbulentos normalmente observados em ambientes urbanos.
A perturbação da corrente de vento a jusante é a razão pela qual as turbinas regulares precisam ser instaladas a uma certa distância umas das outras. No entanto, este não é o caso do sistema VIV, pois qualquer limitação associada ao “efeito de despertar” é evitada. Além disso, a empresa espera que os dispositivos Vortex trabalhem melhor juntos, causando feedback e aumentando a velocidade dos vórtices se eles tiverem o espaço livre adequado ao seu redor, que é estimado em metade da altura total do dispositivo.
Para turbinas eólicas regulares, este espaço livre é normalmente cinco vezes a altura total do dispositivo.
A tecnologia sem pá consiste em um cilindro fixado verticalmente com uma haste elástica. O cilindro oscila sob certas condições de vento, que depois gera electricidade através de um sistema alternador.
Resonância é uma óptima forma de transferir energia de um fluido para uma estrutura. Obtemos uma ressonância quando duas frequências se aproximam, por exemplo, a frequência natural de uma estrutura e, neste exemplo, a frequência que é criada por estes vórtices”, explicou Yáñez. “Hoje em Espanha produzimos até 20% da nossa energia a partir do vento, mas quando falamos da distribuição de energia o rei é o painel solar”, acrescentou Yáñez.
As turbinas Bladeless são gearless, sem óleo, silenciosas, inofensivas para os pássaros, de baixa manutenção e custo, de funcionamento automático e autónomo, para geração no local e adaptação rápida às mudanças de vento.
Tecnologia Vortex
O cilindro exterior do sistema Vortex Bladeless foi concebido para ser bastante rígido e tem a capacidade de vibrar, permanecendo ancorado à haste inferior. A parte superior do cilindro é livre de restrições e proporciona a amplitude máxima da oscilação. A estrutura é construída utilizando resinas reforçadas com carbono e/ou fibra de vidro, os mesmos materiais utilizados nas pás das turbinas eólicas convencionais.
A parte superior da haste suporta o mastro e a sua parte inferior está firmemente ancorada ao solo. É construído em polímero reforçado com fibra de carbono, que proporciona uma resistência à fadiga e tem um mínimo de fuga de energia quando oscila. O design deste sistema de indução sem lâminas é bastante diferente de uma turbina tradicional. Em vez da habitual torre, nacela e lâminas, os sistemas Vortex utilizam um único mastro de materiais leves sobre uma base. As turbinas eólicas tradicionais como as HAWT (turbinas eólicas de eixo horizontal) e VAWT (turbinas eólicas de eixo vertical) funcionam por rotação onde o dispositivo Vortex Bladeless funciona através de oscilação.
O processo de desenvolvimento requer um exame cuidadoso do dispositivo e uma compreensão do seu comportamento em diferentes condições de vento. A ressonância do mastro e dos vórtices que são produzidos à medida que o vento passa através do dispositivo deve ser a mesma frequência para que o movimento de oscilação ocorra e gere energia.
Temos de começar a visualizar o nosso dispositivo e aqui um factor chave é Altair. Para nos ajudar a compreender como a nossa estrutura interage com o vento”, afirmou Yáñez. Quando a frequência dos vórtices está próxima da frequência de ressonância do nosso mastro, então começamos a produzir energia”. Trabalhamos muito com AcuSolve e com HyperMesh para construir esta malha”
A apresentação descreveu o desenvolvimento da malha para o mastro, que quebra a forma em um número de células. Yáñez descreveu como o crescimento destas células é muito importante para entender se os resultados dos testes computadorizados podem ser verificados em um teste do mundo real. Precisamos de quão perto estamos das condições reais e com AcuSolve e FieldView somos capazes de entender os resultados, o que nos permite transportar o conhecimento que obtivemos com esta simulação para os nossos dispositivos,’Yáñez continuou.
Os testes iniciais encontraram alguns problemas com o design que a equipe foi capaz de superar com algumas idéias fora da caixa. Vimos que o desempenho do nosso dispositivo não era o que esperávamos. Um dia comecei a estudar outra área, que era uma área da ciência onde as pessoas estudavam os vórtices criados pelas caudas dos peixes e nas asas dos pássaros’, comenta Yáñez. Peguei suas fórmulas e as misturei com a fórmula usada pelos engenheiros estruturais, e obtivemos uma nova fórmula que nos levou a desenvolver outra geometria. Com esta nova geometria aumentamos o nosso desempenho.’
As alterações no desenho do mastro permitiram aos engenheiros aumentar o tamanho do mastro, avançando para um sistema de produção em tamanho real. “Há alguns meses atrás iniciamos cinco dispositivos de 2,5 metros de altura que têm mais que seria adequado para produzir energia em casas. Mas vimos em condições reais que estes dispositivos são capazes de se adaptar muito rapidamente às mudanças na direção e velocidade do vento porque não temos nenhum tipo de giro ou momento”, concluiu Yáñez.
Embora as simulações bidimensionais sejam úteis, VIV é um fenômeno 3D e como tal requer as simulações CFD em grande escala que foram desenvolvidas por Yáñez e seus colegas. Uma vez que se trata de uma nova tecnologia, muito trabalho tem de ser feito para garantir que os dispositivos se comportem como esperado e produzam energia com a eficiência necessária. Isto significa criar novos modelos que devem ser validados. Estas simulações 3D são baseadas no número Reynolds, uma importante quantidade sem dimensão na mecânica dos fluidos utilizada para ajudar a prever padrões de fluxo em diferentes situações de fluxo de fluidos
Estas simulações requerem uma grande quantidade de recursos computacionais, por isso os engenheiros têm sido exigentes com Altair e o Centro de Supercomputação de Barcelona (BSC) para encontrar a melhor maneira de alcançar os melhores resultados de uma forma acessível.
Crescimento simulado
Outra razão para a simulação em larga escala de turbinas eólicas é para se manter competitivo num mercado cada vez mais difícil. Espera-se que o mercado global de energia renovável cresça a uma taxa anual composta de 13,1% de 2018 a 2024, de acordo com a Envision Intelligence. Este enorme potencial de crescimento impulsiona a concorrência. Como resultado, as empresas estão buscando maneiras de se manter um passo à frente dos concorrentes.
Earlier em 2019 Ansys anunciou detalhes de sua parceria com a WEG, uma empresa brasileira de engenharia que procura tirar proveito do crescimento no setor de energia. A empresa escolheu a Ansys devido à sua “simulação difundida” que permite às empresas iterar e inovar rapidamente em todos os aspectos do ciclo de vida de um projeto.
Em um post de blog, Ahmad Haidari, diretor global da Ansys, observou que a ‘WEG escolheu a simulação universal da Ansys’ para avaliar o desempenho estrutural, eletromagnético, térmico e fluido de todos os seus produtos.’
Os engenheiros da Ansys estão desenvolvendo uma turbina eólica de tração direta de 4mW com alta eficiência e baixos requisitos de manutenção. Ao quase duplicar o rendimento da sua plataforma actual de 2,1mW, a WEG espera que o seu novo design acompanhe as crescentes exigências. Os engenheiros usam uma variedade de ferramentas de simulação para testar e desenvolver seus projetos ao longo de seu ciclo de vida”, continuou Haidari. Os engenheiros neste projeto fizeram uso de várias ferramentas Ansys, incluindo Ansys Mechanical, Ansys Maxwell e Ansys DesignXplorer.
O aumento de potência envolvido na duplicação do desempenho de uma turbina eólica causa alta carga dinâmica sobre os componentes estruturais. Os engenheiros da WEG usam Ansys Mechanical para avaliar os vários casos de carga em toda a estrutura.
“O adaptador de topo da torre da nacela, que fica no topo da torre de concreto e suporta o peso das pás da turbina montada na sua frente, deve suportar cargas extremas, evitando deformações plásticas e deslizamentos. Os engenheiros utilizam simulação estrutural para avaliar as tensões no pescoço e nos pontos de soldagem. Para completar sua análise de falha por fadiga, os engenheiros usam o Ansys nCode DesignLife”, acrescentou Haidari.
Os pontos críticos de soldagem em toda a estrutura são regiões potenciais de fraqueza estrutural. Usando Mechanical e DesignXplorer, os engenheiros da WEG avaliam esses pontos para garantir que eles possam suportar as maiores cargas que sofreriam”, continuou Haidari.
Os engenheiros da WEG usam Ansys Maxwell para simular os campos eletromagnéticos de baixa freqüência produzidos pela turbina durante a operação normal. Estas simulações avaliam o torque, tensão induzida, perdas e saturação do núcleo magnético.
“A minimização das correntes harmônicas entre o gerador e o conversor de energia é fundamental para o desempenho seguro e ótimo da turbina eólica. Para manter uma distorção harmônica baixa e total, os engenheiros usaram as simulações de Maxwell para analizar o posicionamento do ímã, determinar a tensão gerada e avaliar o espectro harmônico”, afirmou Haidari.
“A simulação penetrante entrou em todos os aspectos do projeto das turbinas eólicas do WEG. O mesmo pode ser dito sobre os outros produtos feitos pela WEG, como seus turbo geradores e hidrogeradores”.
Esta história aparece aqui como parte de um acordo de publicação cruzada com a Scientific Computing World.
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