Scopri come gli strumenti di simulazione affrontano le sfide nella progettazione di parchi eolici offshore, ottimizzando le performance e riducendo i costi nel processo di sviluppo.
L'energia eolica marina è una fonte di energia rinnovabile, inesauribile e pulita, che aiuta a ridurre le emissioni di gas a effetto serra. I parchi eolici marini sfruttano l'energia cinetica del vento in mare per generare elettricità. Le turbine eoliche attualmente installate a terra in Spagna non sono più sufficienti per generare l'energia necessaria e ridurre il consumo di fonti non rinnovabili. L'installazione di piattaforme offshore permetterà la creazione di parchi eolici senza la necessità di avvicinarsi ai centri urbani.
Il vento che colpisce le pale degli aerogeneratori genera un movimento di rotazione a bassa velocità che, dopo passare attraverso una scatola moltiplicatrice, aumenta la velocità di rotazione, permettendo la conversione dell'energia meccanica in energia elettrica tramite un generatore.
I parchi eolici marini presentano numerosi vantaggi rispetto a quelli di terra:
- La risorsa eolica è circa del 20% maggiore in mare, il che permette di aumentare la generazione di energia elettrica con la stessa dimensione di aerogeneratore.
- La minore rugosità della superficie del mare fa sì che l'altezza necessaria per captare la risorsa sia inferiore, richiedendo pali più bassi per generare potenze simili.
- Il trasporto dei componenti verso il sito finale non è ostacolato dalla geografia del terreno.
Classificazione delle strutture eoliche marine
La classificazione delle strutture eoliche marine è determinata dal modo in cui l'aerogeneratore è fissato al fondo del mare. Esistono due categorie: fisse e flottanti.
- Aerogeneratori marini fissi (fino a 60 m di profondità): Utilizzano una fondazione monopalo o un supporto "multi-legged jacket" (fondazione con più punti di ancoraggio).
- Aerogeneratori marini flottanti (oltre 60 m di profondità): Permettono di posizionare il parco eolico in località più remote e con maggiori risorse eoliche. A seconda del sistema di ancoraggio al fondo del mare, sono classificati come piattaforma monopilare flottante (Spar Buoy), piattaforma di ancoraggio in tensione (Tension Leg Platform) e piattaforma semi-sommergibile.
Sfide tecniche dell'energia eolica marina
La progettazione di un parco eolico marino richiede un approccio multifisico che consenta di affrontare la complessità dell'ambiente e delle strutture che interagiscono tra loro. Per progettare i componenti in condizioni reali di esercizio, è necessario considerare aspetti aerodinamici, idrodinamici, strutturali, termici ed elettrici in modo integrato.
Alcune delle sfide ingegneristiche sono:
- Progettare pale più grandi, leggere e resistenti.
- Prevedere le deformazioni in pezzi realizzati con materiali compositi.
- Prevedere la rigidità, la resistenza e la durata delle pale, dei pali e delle navette nella fase iniziale del design.
- Prevenire la rottura delle pale durante il trasporto.
- Analizzare i sistemi di ancoraggio delle piattaforme flottanti in condizioni di mare variabili.
- Ottimizzare la forma delle pale per adattare il design alla distribuzione del vento nel sito.
- Caratterizzare meglio la turbolenza dell'aria e le scie (perdita di velocità a valle dell'aerogeneratore) per migliorare le performance e l'affidabilità.
- Aumentare la densità di potenza per soddisfare la crescente domanda.
Punti di forza degli strumenti Ansys per affrontare queste sfide
- Flusso di lavoro end-to-end.
- Accoppiamento tra fisiche diverse completamente integrato e facile da usare.
- Accelerazione del ciclo di progettazione: la simulazione riduce significativamente il tempo di ricerca e sviluppo, ottimizzando la produzione di energia. L'ingegnere può esplorare più opzioni in meno tempo per ottimizzare il design.
- Studi parametrici nelle fasi iniziali del design per ridurre il tempo di immissione sul mercato.
Di seguito, scopri gli strumenti Ansys che aiutano ad affrontare le sfide menzionate.
Analisi idrodinamica delle strutture offshore
Ansys AQWA™ è una suite di analisi idrodinamica che utilizza metodi tridimensionali di diffrazione/radiazione e consente:
- Valutare grandi corpi a livello globale.
- Modellare l'ambiente (vento, onde e correnti).
- Modellare i sistemi di ancoraggio (cavi, ascensori, paratie, ecc.).
- Analizzare la stabilità degli aerogeneratori flottanti in condizioni di mare e vento.
- Determinare la posizione di equilibrio.
- Eseguire analisi dinamiche nel dominio della frequenza.
Analisi fluidodinamica CFD
Ansys Fluent® è il software per eccellenza per i calcoli fluidodinamici. Viene utilizzato per modellare il flusso di fluidi e il trasferimento di calore e massa, tra gli altri. Nell'ambito idrodinamico, consente una valutazione dettagliata della risposta a carichi complessi di onde.
Analisi meccanica strutturale
Ansys Mechanical™ è un risolutore per analisi agli elementi finiti (FEA) che risolve problemi complessi di ingegneria strutturale, permettendo di prendere decisioni rapide. È ideale per:
- Analizzare la struttura a livello globale, ottenendo campi di spostamento e tensione.
- Eseguire un'analisi dettagliata delle aree con alte tensioni.
- Calcolare utilizzando materiali compositi.
- Modellare giunzioni bullonate e saldate.
- Studiare la risposta dinamica a carichi di vibrazione e shock.
- Eseguire lo studio idrodinamico di corpi slanciati.
Soluzioni elettromagnetiche
Ansys Motor-CAD™ e Ansys Maxwell® sono le soluzioni di Ansys per il design di sistemi elettromagnetici installati nelle turbine eoliche. Offrono un flusso di lavoro di progettazione elettromagnetica, dalla progettazione preliminare fino al design dettagliato e all'ottimizzazione.
Manutenção preditiva e gêmeos digitais
Ansys Twin Builder® consente il monitoraggio continuo della risposta strutturale del sistema eolico marino, la previsione in tempo reale della vita utile rimanente, oltre a simulare scenari ipotetici per l'installazione diretta nel sistema, il controllo dei dati con risposta in tempo reale, utilizzando l'intero portafoglio di Ansys in combinazione con i dati dei sensori installati sugli impianti operativi.
Strumenti chiave per potenziare l'energia eolica offshore
L'energia eolica marina è una fonte rinnovabile, inesauribile e pulita, essenziale per ridurre le emissioni di gas a effetto serra. La progettazione di un parco eolico marino richiede un approccio multifisico, che integra le diverse forze che agiscono sulle strutture marine, come vento, onde e correnti.
In questo contesto, gli strumenti di simulazione di Ansys diventano essenziali per gli ingegneri. Ansys AQWA offre un'analisi idrodinamica dettagliata, ideale per valutare il comportamento globale di grandi corpi in ambienti marini. Per valutazioni avanzate di fluidodinamica, Ansys Fluent offre informazioni precise sulla risposta a carichi complessi di onde. Completando questa analisi, Ansys Mechanical, con la sua capacità di risolvere problemi strutturali tramite analisi agli elementi finiti (FEA), consente di studiare sia il comportamento globale che i dettagli più specifici delle strutture.
Grazie a questa suite integrata di strumenti, Ansys offre soluzioni complete che coprono tutte le fasi del design, riducendo significativamente la necessità di costosi test fisici, come prove meccaniche e misurazioni sperimentali in gallerie del vento. Questo non solo ottimizza le risorse, ma accelera anche lo sviluppo di progetti di energia eolica marina ad alta complessità.
La simulazione Ansys affronta le quattro grandi sfide di progettazione e fabbricazione del parco, il design della turbina e la sua affidabilità operativa.
Conclusione
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