Ansys Aqwa в волновой энергетике

Специалисты уже давно оценили практический потенциал энергии волн — новый метод добычи электроэнергии. По прогнозам, при помощи океана можно добыть от 2 триллионов до 4 триллионов киловатт-часов в год. Такое количество энергии покроет около 10% мирового спроса.

На момент реализации данного проекта, технология добычи энергии при помощи волн была не так популярна и известна в мировой практике. Ученым и инженерам пришлось провести колоссальную работу по разработке волновых энергетических систем. На исследователей легла колоссальная ответственность, так как они были первооткрывателями нового метода, который в случае успеха мог значительно повлиять на мировую экологию и экономику.

У волновой энергии есть ряд преимуществ:

• Плотность мощности волн намного выше, чем у других систем возобновляемой энергии. Это позволяет производить большое количество энергии при относительно небольшой площади;
• Поступление энергии от волн можно точно спрогнозировать на несколько дней вперед, что позволяет предприятиям составлять точные планы поставок энергии;
• В отличие от солнечной энергии, которая напрямую зависит от погодных условий, морские волны доступны 24 часа в сутки.
• Энергия волн не потребует существенного наращивания пропускной способности, поскольку 30% населения мира проживает в пределах 60 миль от береговой линии, а 70%  —  в пределах 200 миль.

/   Цель проекта

Компания Columbia Power Technologies (Columbia Power) специализируется на разработке систем генерации волновой энергии. Совместно с Университетом штата Орегон компания проводила исследования по созданию инновационных устройств для сбора энергии волн.

Во время проекта Columbia Power Technologies столкнулась с серьезной проблемой — так как компания была первопроходцем, специалисты не обладали необходимым опытом. Другим отраслям (ветроэнергетике и солнечной энергетике) потребовались десятилетия, чтобы развить технологию до уровня коммерческой жизнеспособности, но у Columbia Power Technologies не было столько времени. Инженерам необходимо было как можно скорее разработать эффективный и конкурентоспособный продукт.

/   Реализаия проекта

Columbia power уделяет особое внимание разработке систем с прямым приводом, которые позволяют избежать использования пневматических и гидравлических стадий преобразования и связанных с ними потерь. Компания считает, что системы с прямым приводом — это будущее волновой энергетики, поскольку они более эффективны и надежны, а также проще в обслуживании. Задача номер один при проектировании заключалась в том, чтобы оптимизировать конструкцию буя, чтобы максимально увеличить долю мощности волны, передаваемой на буй. Относительная ширина захвата является безразмерной мерой эффективности устройства при захвате доступной энергии волны. Относительная ширина захвата, равная 1, означает, что буй захватил 100 процентов доступной энергии волн.
 
Когда Columbia power приступила к определению оптимальной формы буя, инженеры обратили внимание на пять различных пакетов программного обеспечения для гидродинамического моделирования. Компания выбрала программное обеспечение Ansys Aqwa из-за его простоты использования, а испытания показали, что оно обеспечивает лучшее соответствие физическим экспериментам, чем конкурирующее программное обеспечение. Columbia power ценит то, что Ansys Aqwa предлагает решения как в частотной, так и во временной области. Решения в частотной области быстрее, что делает их идеальными для быстрой оценки большого количества форм, в то время как решения во временной области обеспечивают высокий уровень точности, необходимый для уточнения до лучших форм на более поздних этапах процесса проектирования.

Первоначальный концептуальный проект был построен в программном комплексе «X». Далее было проведено тестирование проекта (в масштабе 1/33) в специально оборудованном в бассейне, который имитировал волны цунами. Команда использовала камеры высокого разрешения для отслеживания светодиодов на буе, измеряя его движение в волнах. После этого инженеры экспортировали концептуальный проект в программное обеспечение Ansys Aqwa и выполнили моделирование во временной области, используя климат волн с той же амплитудой и частотой, что и измеренные в волновом резервуаре. Результаты показали хорошее соответствие между измерениями и прогнозами Ansys Aqwa. С тех пор инженеры использовали Ansys Aqwa в качестве основного инструмента проектирования для оптимизации формы буя из армированного волокном пластика (FRP).

С тех пор Columbia power оценила более 350 различных геометрических форм с помощью Ansys Aqwa, чтобы максимально увеличить относительную ширину захвата буя. В то же время компания тесно сотрудничала с Ershigs Inc., ее структурным партнером, производящим поплавки из FRP, чтобы изучить возможность изготовления различных форм и гарантировать, что окончательная конструкция может быть изготовлена с низкой стоимостью. Компания также рассмотрела воздействие предлагаемых конструкций буев на окружающую среду. Columbia power использовали синусоидальную форму волны и набор частот волны в диапазоне от 2 до 20 секунд для моделирования в частотной области. Операторы амплитуды отклика, рассчитанные программным обеспечением Ansys Aqwa, использовались в процедуре постобработки, написанной инженерами-энергетиками Columbia, которая вычисляет относительный крутящий момент и скорость буя, а также относительную ширину захвата.

Как только специалисты убедились, что форма буя близка к оптимальной, инженеры-энергетики Columbia перешли к моделированию во временной области, которое позволяет оценить нелинейные эффекты волн. Команда оценила формы, которые лучше всего зарекомендовали себя при моделировании в частотной области, в различных волновых климатических условиях, в том числе в семи различных прибрежных точках по всему миру. В то же время инженеры приступили к оптимизации системы отбора мощности, преобразующей механическую энергию в электрическую. Результаты модели Ansys Aqwa из моделей в частотной области были обработаны в Matlab® Simulink® для включения реактивного крутящего момента отбора мощности и для расчета выходной мощности.

Модели временной области Ansys Aqwa были связаны с dll, которая имитировала как линейный, так и нелинейный режим отбора мощности. dll для модели коробки отбора мощности была разработана в среде Matlab Real Time®. Инженеры использовали выходные данные Ansys Aqwa для создания численной модели, разработанной в Simulink, которая моделирует систему отбора мощности и стратегию управления. Стратегия управления настраивает отбор мощности в соответствии с волновым климатом, изменяя величину тока, вырабатываемого генератором, что, в свою очередь, изменяет механическую нагрузку на систему. Это позволяет учитывать в рамках единой модели влияние различных форм буев, конструкций систем отбора мощности и стратегий управления; это также помогает определить мощность, которая будет генерироваться каждым подходом в различных волновых климатических условиях.
 
Columbia power недавно начала использовать программное обеспечение для электромагнитного моделирования Maxwell от Ansys для оптимизации конструкции генератора. Инженеры оценили три различных пакета программного обеспечения для электромагнитного моделирования и пришли к выводу, что Maxwell был самым простым в использовании и наиболее стабильным. Maxwell используется для анализа электромагнитных характеристик генератора при различных воздушных зазорах между ротором и статором, различной геометрии магнитов, различных типах магнитов и различных типах стали. Общая цель состоит в том, чтобы максимизировать выходную мощность генератора при минимизации его стоимости&

/   Результаты проекта

Сосредоточив свои усилия на компьютерном моделировании и разумно используя физические испытания в качестве инструмента проверки, Columbia power продвигается вперед в процессе разработки намного быстрее, чем это было бы возможно при использовании традиционных методов разработки. Ansys Aqwa и программное обеспечение для моделирования Maxwell позволяют компании совершать ошибки виртуально, где они обходятся гораздо дешевле, чем натурные испытания в океане. Технология Ansys Aqwa, в частности, помогла более чем вдвое повысить эффективность системы волнового питания Columbia power. На протяжении всего проекта Columbia power получала техническую поддержку и обучение от специалистов компании Ansys.

В октябре 2020 года компания Columbia power объявила о начале строительства первоначальной автономной оффшорной энергетической системы SeaRAY (AOPS). Инновационный SeaRAY AOPS может одновременно поддерживать несколько полезных нагрузок, обеспечивая выработку электроэнергии на месте, хранение энергии и возможности передачи данных и связи в режиме реального времени для транспортных средств, датчиков и рабочего оборудования.