În acest articol invitat special, Robert Roe de la Scientific Computing World scrie că simularea HPC oferă o platformă pentru dezvoltarea progreselor în tehnologiile de generare a energiei.
Vortex Bladeless este un aerogenerator ecologic care nu are nevoie de palete.
Prin utilizarea simulării de ultimă generație, inginerii de software dezvoltă noi tehnologii inovatoare în domeniul energiei eoliene și cresc eficiența și durabilitatea turbinelor eoliene. Dorința de a găsi surse de energie durabilă este una dintre cele mai presante preocupări cu care se confruntă societatea. Dezvoltarea surselor avansate de energie durabilă oferă nu numai o creștere a puterii și a eficienței generării de energie, ci și o alternativă la combustibilii fosili.
Resursele de combustibili fosili sunt din ce în ce mai rare, astfel că sursele regenerabile, cum ar fi energia eoliană și solară, furnizează mai multă energie ca niciodată. Marea Britanie, de exemplu, a stabilit ca, până în 2020, 20% din totalul energiei sale să fie produsă din surse regenerabile.
Creșterea eficienței tehnologiilor precum panourile solare și turbinele eoliene reprezintă o provocare cheie pentru succesul surselor de energie regenerabilă, alături de costurile de producție și de fabricație.
Utilizarea software-ului de modelare și simulare oferă calea spre inovare, deoarece simularea la scară largă poate fi utilizată pentru a ajuta la proiectarea de noi sisteme și la creșterea eficienței tehnologiilor existente pentru a le face mai viabile din punct de vedere economic.
David Yáñez, cofondator al start-up-ului tehnologic spaniol, Vortex Bladeless
În cadrul Conferinței britanice Altair Technology Conference (ATC) 2019, David Yáñez, cofondator al start-up-ului tehnologic spaniol, Vortex Bladeless, a prezentat proiectul companiei pentru o nouă tehnologie de energie eoliană. Una dintre caracteristicile cheie ale acestui sistem este reducerea elementelor mecanice care pot fi uzate prin frecare. Compania a dezvoltat tehnologia cu ajutorul instrumentelor CFD furnizate de Altair, care au ajutat compania să studieze atât interacțiunea fluid-structură, cât și comportamentul câmpurilor magnetice din alternator. Rezultatele sunt apoi comparate cu rezultatele experimentale obținute atât în tunelul aerodinamic, cât și în medii de aplicații reale.
Vortex Bladeless este un generator eolian rezonant cu vibrații induse de vortex. Acesta valorifică energia eoliană dintr-un fenomen de vorticitate numit vortex shedding. Vortex shedding este un flux oscilant care are loc atunci când un fluid, cum ar fi aerul sau apa, trece pe lângă o faleză cu anumite viteze. În mecanica fluidelor, pe măsură ce vântul trece printr-un corp contondent, curgerea este modificată și generează un model ciclic de vârtejuri.
După ce frecvența acestor forțe este suficient de apropiată de frecvența structurală a corpului, corpul începe să oscileze și intră în rezonanță cu vântul. Acest lucru este, de asemenea, cunoscut sub numele de vibrații induse de vortex (VIV).
Geometria stâlpului lui Vortex este proiectată pentru a obține performanțe maxime pe baza vitezelor medii observate ale vântului. Acesta este capabil să se adapteze foarte rapid la schimbările de direcție a vântului și la fluxurile de aer turbulent observate în mod obișnuit în mediile urbane.
Perturbarea curentului eolian din aval este motivul pentru care turbinele obișnuite trebuie să fie instalate la o anumită distanță una față de cealaltă. Cu toate acestea, acest lucru nu este cazul sistemului VIV, deoarece orice limitare asociată cu „efectul de priveghi” este evitată. În plus, compania se așteaptă ca dispozitivele Vortex să funcționeze mai bine împreună, provocând o reacție și crescând viteza vârtejurilor, dacă acestea au în jurul lor spațiul liber adecvat, care este estimat la jumătate din înălțimea totală a dispozitivului.
Pentru turbinele eoliene obișnuite, acest spațiu liber este de obicei de cinci ori mai mare decât înălțimea totală a dispozitivului.
Tehnologia fără palete constă într-un cilindru fixat vertical cu o tijă elastică. Cilindrul oscilează în anumite condiții de vânt, care apoi generează electricitate printr-un sistem de alternator.
Rezonanța este o modalitate excelentă de a transfera energie de la un fluid la o structură. Obținem o rezonanță atunci când două frecvențe sunt apropiate, de exemplu, frecvența naturală a unei structuri și, în acest exemplu, frecvența care este creată de aceste vârtejuri”, a explicat Yáñez. „În Spania, în prezent, producem până la 20 la sută din energia noastră din vânt, dar când vorbim despre distribuția energiei, regele este panoul solar.”
„Proiectăm un nou instrument pentru a colecta energia din vânt și am încercat să creștem, fenomenul de rezonanță care apare”, a adăugat Yáñez.
Turbinele fără palete sunt fără angrenaje, fără ulei, silențioase, inofensive pentru păsări, cu costuri și întreținere reduse, cu funcționare autonomă și de sine stătătoare, pentru generare la fața locului și adaptare rapidă la schimbările de vânt.
Tehnologia Vortex
Cilindrul exterior al sistemului Vortex Bladeless este proiectat pentru a fi în mare parte rigid și are capacitatea de a vibra, rămânând ancorat la tija inferioară. Partea superioară a cilindrului este neconstrânsă și asigură amplitudinea maximă a oscilației. Structura este construită folosind rășini armate cu fibră de carbon și/sau de sticlă, aceleași materiale folosite la palele convenționale ale turbinelor eoliene.
Suspendarea tijei susține catargul, iar partea inferioară este ancorată ferm de sol. Este construită din polimer armat cu fibră de carbon, care asigură o rezistență la oboseală și are o scurgere minimă de energie atunci când oscilează. Designul acestui sistem de inducție fără palete este foarte diferit de cel al unei turbine tradiționale. În loc de turnul, nacela și paletele obișnuite, sistemele Vortex utilizează un singur catarg din materiale ușoare peste o bază. Turbinele eoliene tradiționale, cum ar fi HAWT (turbine eoliene cu axă orizontală) și VAWT (turbine eoliene cu axă verticală) funcționează prin rotație, în timp ce dispozitivul Vortex Bladeless funcționează prin oscilație.
Procesul de dezvoltare necesită o examinare atentă a dispozitivului și o înțelegere a comportamentului său în diferite condiții de vânt. Rezonanța stâlpului și vortexurile care sunt produse atunci când vântul trece prin dispozitiv trebuie să aibă o frecvență similară pentru ca mișcarea de oscilație să se producă și să genereze energie.
Trebuie să începem să vizualizăm dispozitivul nostru și aici un factor cheie este Altair. Pentru a ne ajuta să înțelegem modul în care structura noastră interacționează cu vântul”, a declarat Yáñez. Atunci când frecvența vârtejurilor este apropiată de frecvența de rezonanță a stâlpului nostru, atunci începem să producem energie. Lucrăm mult cu AcuSolve și cu HyperMesh pentru a construi această plasă.”
Prezentarea a descris dezvoltarea plaselor pentru catarg, care descompune forma într-un număr de celule. Yáñez a descris modul în care creșterea acestor celule este foarte importantă pentru a înțelege dacă rezultatele testelor pe calculator pot fi verificate într-un test din lumea reală. ‘Trebuie să vedem cât de aproape suntem de condițiile reale, iar cu AcuSolve și FieldView suntem capabili să înțelegem rezultatele, ceea ce ne permite să transportăm cunoștințele pe care le-am obținut cu această simulare în dispozitivele noastre’, a continuat Yáñez.
Testările inițiale au găsit unele probleme cu designul pe care echipa a reușit să le depășească cu o gândire ieșită din comun. ‘Am văzut că performanța dispozitivului nostru nu a fost cea la care ne așteptam. Într-o zi am început să studiez un alt domeniu, care era un domeniu al științei în care oamenii studiau vârtejurile create de cozile peștilor și în aripile păsărilor’, comentează Yáñez. ‘Am luat formulele lor și le-am amestecat cu formula folosită de inginerii structurali și am obținut o nouă formulă care ne-a condus la dezvoltarea unei alte geometrii. Cu această nouă geometrie am crescut performanța noastră.”
Modificările aduse la designul catargului au permis inginerilor să mărească dimensiunea catargului, continuând dezvoltarea către un sistem complet de dimensiuni de producție. „În urmă cu câteva luni am început cinci dispozitive de 2,5 metri înălțime care au mai mult care ar fi potrivite pentru a produce energie în case. Dar am văzut în condiții reale că aceste dispozitive sunt capabile să se adapteze foarte rapid la schimbările în direcția și viteza vântului, deoarece nu avem niciun fel de rotație sau impuls”, a concluzionat Yáñez.
În timp ce simulările bidimensionale sunt utile, VIV este un fenomen 3D și, ca atare, necesită simulări CFD la scară mare care au fost dezvoltate de Yáñez și colegii săi. Deoarece aceasta este o tehnologie nouă, trebuie să se lucreze mult pentru a se asigura că dispozitivele se comportă așa cum se așteaptă și produc energie cu eficiența necesară. Acest lucru înseamnă crearea de noi modele care trebuie validate. Aceste simulări 3D se bazează pe numărul Reynolds, o mărime adimensională importantă în mecanica fluidelor, utilizată pentru a ajuta la prezicerea modelelor de curgere în diferite situații de curgere a fluidelor
Aceste simulări necesită o cantitate mare de resurse de calcul, astfel încât inginerii au făcut pareterning cu Altair și cu Barcelona Supercomputing Center (BSC) pentru a găsi cea mai bună modalitate de a obține rezultate optime într-un mod accesibil.
Simularea creșterii
Un alt motiv pentru simularea la scară largă a turbinelor eoliene este acela de a rămâne competitiv pe o piață din ce în ce mai dificilă. Potrivit Envision Intelligence, se preconizează că piața globală a energiei regenerabile va crește cu o rată anuală compusă de 13,1 la sută din 2018 până în 2024. Acest potențial uriaș de creștere stimulează concurența. Prin urmare, companiile caută modalități de a rămâne cu un pas înaintea concurenților.
La începutul anului 2019, Ansys a anunțat detalii despre parteneriatul său cu WEG, o companie braziliană de inginerie care dorește să profite de creșterea din sectorul energetic. Compania a ales Ansys datorită „simulării sale omniprezente”, care permite companiilor să itereze și să inoveze rapid în fiecare aspect al ciclului de viață al unui proiect.
Într-o postare pe blog, Ahmad Haidari, director global de industrie la Ansys, a precizat că „WEG a ales simularea omniprezentă a Ansys pentru a evalua performanța structurală, electromagnetică, termică și a fluidelor pentru toate produsele sale.”
Inginerii WEG dezvoltă o turbină eoliană cu acționare directă de 4mW cu cerințe de înaltă eficiență și întreținere redusă. Prin aproape dublarea puterii actualei sale platforme de 2,1mW, WEG speră ca noul său proiect să țină pasul cu cererile în creștere. Inginerii folosesc o varietate de instrumente de simulare omniprezente pentru a-și testa și dezvolta proiectele pe tot parcursul ciclului lor de viață”, a continuat Haidari. Inginerii din acest proiect au utilizat mai multe instrumente Ansys, inclusiv Ansys Mechanical, Ansys Maxwell și Ansys DesignXplorer.
Puterea crescută de putere implicată în dublarea performanței unei turbine eoliene determină o încărcare dinamică ridicată asupra componentelor structurale. Inginerii de la WEG folosesc Ansys Mechanical pentru a evalua diferitele cazuri de încărcare în întreaga structură.
„Adaptorul nacelă din vârful turnului, care se află pe vârful turnului de beton și suportă greutatea paletelor turbinei montate în partea sa frontală, trebuie să reziste la sarcini extreme, evitând în același timp deformarea plastică și alunecarea. Inginerii folosesc simularea structurală pentru a evalua tensiunile la nivelul gâtului și în punctele de sudură. Pentru a-și finaliza analiza de cedare la oboseală, inginerii folosesc Ansys nCode DesignLife”, a adăugat Haidari.
Punctele critice de sudură din întreaga structură sunt regiuni potențiale de slăbiciune structurală. Folosind Mechanical și DesignXplorer, inginerii WEG evaluează aceste puncte pentru a se asigura că pot rezista la cele mai mari sarcini pe care le-ar experimenta”, a continuat Haidari.
Inginerii WEG folosesc Ansys Maxwell pentru a simula câmpurile electromagnetice de joasă frecvență produse de turbină în timpul funcționării normale. Aceste simulări evaluează cuplul, tensiunea indusă, pierderile și saturația miezului magnetic.
„Minimizarea curenților armonici între generator și convertorul de putere este esențială pentru o performanță sigură și optimă a turbinei eoliene. Pentru a menține o distorsiune armonică totală scăzută, inginerii au folosit simulările Maxwell pentru a analiza poziționarea magneților, a determina tensiunea generată și a evalua spectrul armonic”, a declarat Haidari.
„Simularea omniprezentă și-a făcut loc în fiecare aspect al proiectării turbinelor eoliene WEG. Același lucru se poate spune și despre celelalte produse realizate de WEG, cum ar fi turbogeneratoarele și hidrogeneratoarele sale.”
Acest articol apare aici ca parte a unui acord de publicare încrucișată cu Scientific Computing World.
Înscrieți-vă pentru buletinul nostru informativ insideHPC
.