I detta särskilda gästinlägg skriver Robert Roe från Scientific Computing World att HPC-simulering utgör en plattform för att utveckla framsteg inom energiproduktionsteknik.
Vortex Bladeless är en miljövänlig aerogenerator som inte behöver några blad.
Med hjälp av banbrytande simulering utvecklar mjukvaruingenjörer innovativ ny vindkraftsteknik och ökar vindkraftverkens effektivitet och hållbarhet. Strävan att hitta hållbara energikällor är en av de mest angelägna frågorna som samhället står inför. Utvecklingen av avancerade hållbara energikällor erbjuder inte bara en ökning av effekten och effektiviteten i energiproduktionen, utan också ett alternativ till fossila bränslen.
Fossila bränsleresurser blir alltmer sällsynta och därför ger förnybara källor som vind- och solenergi mer kraft än någonsin tidigare. Storbritannien har till exempel satt upp ett mål om att 20 procent av dess totala energi ska produceras av förnybara källor senast 2020.
Att öka effektiviteten i tekniker som solpaneler och vindkraftverk är en viktig utmaning för de förnybara energikällornas framgång, tillsammans med produktions- och tillverkningskostnader.
Användningen av programvaror för modellering och simulering erbjuder en väg till innovation eftersom storskalig simulering kan användas för att hjälpa till att utforma nya system och öka effektiviteten i befintlig teknik för att göra dem mer ekonomiskt lönsamma.
David Yáñez, medgrundare av det spanska teknikföretaget Vortex Bladeless
På den brittiska Altair Technology Conference (ATC) 2019 presenterade David Yáñez, medgrundare av det spanska teknikföretaget Vortex Bladeless, företagets design för en ny vindkraftsteknik. En av de viktigaste egenskaperna hos detta system är minskningen av mekaniska element som kan slitas av friktion. Företaget utvecklade tekniken med hjälp av CFD-verktyg från Altair, som hjälpte företaget att studera både växelverkan mellan vätska och struktur och magnetfältens beteende i generatorn. Resultaten jämförs sedan med experimentella resultat som erhållits både i vindtunnel och i verkliga användningsmiljöer.
Vortex Bladeless är en virvelinducerad vibrationsresonant vindgenerator. Den utnyttjar vindenergi från ett fenomen av vorticitet som kallas virvelavgivning. Vortex shedding är ett oscillerande flöde som uppstår när en vätska, t.ex. luft eller vatten, strömmar förbi en bluff med vissa hastigheter. Inom flödesmekaniken ändras flödet när vinden passerar genom en trubbig kropp och genererar ett cykliskt mönster av virvlar.
När frekvensen av dessa krafter ligger tillräckligt nära kroppens strukturella frekvens börjar kroppen att oscillera och går i resonans med vinden. Detta är också känt som vortexinducerad vibration (VIV).
Vortex mastgeometri är utformad för att uppnå maximal prestanda baserat på de genomsnittliga observerade vindhastigheterna. Den kan anpassa sig mycket snabbt till vindriktningsändringar och turbulenta luftströmmar som ofta observeras i stadsmiljöer.
Störningen av vindströmmen nedströms är anledningen till att vanliga turbiner måste installeras på ett visst avstånd från varandra. Detta är dock inte fallet för VIV-systemet, eftersom alla begränsningar som är förknippade med ”kölvatteneffekten” undviks. Dessutom förväntar sig företaget att Vortex-enheterna ska fungera bättre tillsammans, vilket orsakar återkoppling och ökar virvelns hastighet om de har rätt fritt utrymme runt omkring sig, vilket uppskattas vara hälften av enhetens totala höjd.
För vanliga vindkraftverk är detta fria utrymme vanligtvis fem gånger enhetens totala höjd.
Den bladlösa tekniken består av en cylinder som fästs vertikalt med en elastisk stång. Cylindern oscillerar under vissa vindförhållanden, vilket sedan genererar elektricitet genom ett alternatorsystem.
Resonans är ett utmärkt sätt att överföra energi från en vätska till en struktur. Vi får en resonans när två frekvenser ligger nära varandra, till exempel en strukturs naturliga frekvens och, i det här exemplet, den frekvens som skapas av dessa virvlar, förklarade Yáñez. ”I Spanien producerar vi i dag så mycket som 20 procent av vår energi från vinden, men när vi talar om energidistribution är det solpanelen som är kungen.”
”Vi håller på att utforma ett nytt verktyg för att samla in energi från vinden och vi försökte öka, det resonansfenomen som uppstår”, tillägger Yáñez.
Bladlösa turbiner är växellösa, oljelösa, tysta, ofarliga för fåglar, har lågt underhåll och låga kostnader, är självgående och fristående, för produktion på plats och snabb anpassning till vindförändringar.
Vortex-teknik
Den yttre cylindern i Vortex Bladeless-systemet är utformad för att vara i stort sett styv och har förmågan att vibrera, samtidigt som den förblir förankrad i bottenstången. Den övre delen av cylindern är obunden och ger den maximala amplituden för svängningen. Strukturen är byggd med hjälp av hartser som är förstärkta med kol- och/eller glasfiber, samma material som används i konventionella vindkraftverksblad.
Stångens topp stödjer masten och dess botten är fast förankrad i marken. Den är byggd av kolfiberförstärkt polymer som ger en utmattningsbeständighet och har ett minimalt energiläckage vid oscillering. Utformningen av detta bladlösa induktionssystem är helt annorlunda än en traditionell turbin. I stället för det vanliga tornet, gondolen och bladen använder Vortex-systemen en enda mast av lättviktsmaterial över en bas. Traditionella vindkraftverk som HAWT (vindkraftverk med horisontell axel) och VAWT (vindkraftverk med vertikal axel) arbetar genom rotation, medan Vortex Bladeless-enheten arbetar genom svängning.
Utvecklingsprocessen kräver en noggrann undersökning av enheten och en förståelse av dess beteende i olika vindförhållanden. Resonansen hos masten och de virvlar som bildas när vinden passerar över anordningen måste ha samma frekvens för att svängningsrörelsen ska uppstå och generera energi.
Vi måste börja visualisera vår anordning och här är Altair en nyckelfaktor. För att hjälpa oss att förstå hur vår struktur interagerar med vinden”, förklarade Yáñez. När frekvensen för virvlarna ligger nära resonansfrekvensen för vår mast börjar vi producera energi. Vi arbetar mycket med AcuSolve och HyperMesh för att bygga detta nät.”
Presentationen beskrev utvecklingen av nätet för masten, som bryter ner formen i ett antal celler. Yáñez beskrev hur tillväxten av dessa celler är mycket viktig för att förstå om resultaten från datortesterna kan verifieras i ett verkligt test. Vi behöver veta hur nära vi är de verkliga förhållandena och med AcuSolve och FieldView kan vi förstå resultaten, vilket gör det möjligt för oss att transportera den kunskap som vi har fått med denna simulering till våra apparater, fortsatte Yáñez.
I de första testerna upptäcktes vissa problem med konstruktionen som teamet kunde lösa genom att tänka utanför boxen. ”Vi såg att prestandan hos vår enhet inte var vad vi förväntade oss. En dag började jag studera ett annat område, som var ett vetenskapligt område där man studerade de virvlar som skapas i fiskars stjärtar och i fåglars vingar”, kommenterar Yáñez. ”Jag tog deras formler och blandade dem med den formel som används av strukturingenjörer, och vi fick en ny formel som fick oss att utveckla en annan geometri. Med denna nya geometri ökade vi prestandan.”
Förändringarna av mastkonstruktionen gjorde det möjligt för ingenjörerna att öka mastens storlek, vilket främjade utvecklingen mot ett system i full produktionsstorlek. ”För några månader sedan startade vi fem enheter på 2,5 meters höjd som har mer som skulle passa för att producera energi i hemmen. Men vi såg i verkliga förhållanden att dessa anordningar kan anpassa sig mycket snabbt till förändringar i vindriktning och vindhastighet eftersom vi inte har någon form av spinn eller momentum”, avslutade Yáñez.
Men även om tvådimensionella simuleringar är användbara är VIV ett 3D-fenomen och som sådant kräver det de storskaliga CFD-simuleringar som Yáñez och hans kollegor har utvecklat. Eftersom detta är en ny teknik måste mycket arbete göras för att se till att anordningarna beter sig som förväntat och producerar energi med den effektivitet som krävs. Detta innebär att man måste skapa nya modeller som måste valideras. Dessa 3D-simuleringar är baserade på Reynoldstalet, en viktig dimensionslös kvantitet inom strömningsmekanik som används för att hjälpa till att förutsäga flödesmönster i olika strömningssituationer för vätskor
Dessa simuleringar kräver en stor mängd beräkningsresurser så ingenjörerna har pareterat med Altair och Barcelona Supercomputing Center (BSC) för att hitta det bästa sättet att uppnå optimala resultat på ett prisvärt sätt.
Simulering av tillväxt
En annan anledning till storskalig simulering av vindkraftverk är att förbli konkurrenskraftig på en allt svårare marknad. Den globala marknaden för förnybar energi förväntas växa med 13,1 procent årlig sammansatt takt från 2018 till 2024, enligt Envision Intelligence. Denna enorma tillväxtpotential driver på konkurrensen. Som ett resultat av detta söker företag efter sätt att ligga ett steg före konkurrenterna.
Tidigare under 2019 tillkännagav Ansys detaljer om sitt partnerskap med WEG, ett brasilianskt ingenjörsföretag som vill dra nytta av tillväxten inom energisektorn. Företaget valde Ansys på grund av dess ”genomgripande simulering” som gör det möjligt för företag att snabbt iterera och förnya sig i alla aspekter av en konstruktions livscykel.
I ett blogginlägg konstaterade Ahmad Haidari, global industridirektör på Ansys, att ”WEG valde Ansys genomgripande simulering för att bedöma den strukturella, elektromagnetiska, termiska och flytande prestandan hos alla sina produkter.”
WEG:s ingenjörer håller på att utveckla ett direktdrivet vindkraftverk på 4mW med krav på hög effektivitet och lågt underhåll. Genom att nästan fördubbla effekten av sin nuvarande 2,1 MW-plattform hoppas WEG att den nya konstruktionen kommer att hålla jämna steg med de ökande kraven. Ingenjörerna använder en rad olika genomgående simuleringsverktyg för att testa och utveckla sina konstruktioner under hela deras livscykel”, fortsätter Haidari. Ingenjörerna i det här projektet använde sig av flera Ansys-verktyg, bland annat Ansys Mechanical, Ansys Maxwell och Ansys DesignXplorer.
Den ökade uteffekt som krävs för att fördubbla ett vindkraftverks prestanda orsakar hög dynamisk belastning på de strukturella komponenterna. WEG:s ingenjörer använder Ansys Mechanical för att utvärdera de olika belastningsfallen i hela strukturen.
”Adaptern för tornets topp, som sitter ovanpå betongtornet och bär tyngden av de turbinblad som är monterade på dess framsida, måste tåla extrema belastningar samtidigt som plastisk deformation och glidning undviks. Ingenjörer använder strukturell simulering för att utvärdera spänningar vid halsen och vid svetspunkterna. För att slutföra analysen av utmattningsfel använder ingenjörerna Ansys nCode DesignLife”, tillägger Haidari.
Kritiska svetspunkter i hela strukturen är potentiella områden med strukturell svaghet. Med hjälp av Mechanical och DesignXplorer utvärderar WEG:s ingenjörer dessa punkter för att se till att de klarar de största belastningar de skulle utsättas för, fortsätter Haidari.
WEG:s ingenjörer använder Ansys Maxwell för att simulera de lågfrekventa elektromagnetiska fält som turbinen producerar under normal drift. Dessa simuleringar utvärderar vridmoment, inducerad spänning, förluster och magnetisk kärnmättnad.
”Att minimera harmoniska strömmar mellan generatorn och kraftomvandlaren är avgörande för att vindkraftverken ska fungera säkert och optimalt. För att bibehålla en låg, total harmonisk distorsion använde ingenjörerna Maxwell-simuleringar för att analysera magnetpositioneringen, bestämma den genererade spänningen och bedöma det harmoniska spektrumet”, förklarade Haidari.
”Genomgripande simulering har gjort sitt intåg i varje aspekt av konstruktionen av WEG:s vindkraftverk. Samma sak kan sägas om WEG:s andra produkter, t.ex. turbogeneratorer och vätgasgeneratorer.”
Denna berättelse publiceras här som en del av ett korsvis publiceringsavtal med Scientific Computing World.
Skriv upp dig för vårt insideHPC-nyhetsbrev