Energia dalle onde, simulate

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La simulazione idrodinamica consente di migliorare l’efficienza dell’energia di moto ondoso. Columbia Power Technologies, è attiva nella ricerca per catturare questo potenziale e utilizza il software Ansys Aqwa per la sua facilità d’uso e le soluzioni offerte

Se tutta l’energia dell’oceano potesse essere catturata, essa supererebbe di oltre 500 volte i consumi globali di energia. Il potenziale pratico dell’energia del moto ondoso in tutto il mondo è stimato tra i 2 trilioni e i 4 trilioni di kilowattora all’anno. Il World Energy Council ritiene che circa il 10%  della domanda di energia in tutto il mondo possa essere soddisfatto catturando l’energia degli oceani. La tecnologia che permette di convertire in energia il moto ondoso è meno matura di quella solare, eolica e soprattutto dei combustibili fossili. L’ottimizzazione di queste tecnologie richiede un lavoro enorme. Gli obiettivi dei ricercatori sono l’efficienza e la riduzione dei costi, entrambi necessari per consentire a questi sistemi di essere competitivi nel dare un maggior contributo per soddisfare le richieste globali di energia.

Columbia Power Technologies, è attiva nella ricerca per catturare questo potenziale. Il suo obiettivo è sviluppare e commercializzare sistemi di generazione di energia dal moto ondoso e strumenti innovativi di accumulo di energia ad essi collegati, anche grazie alla stretta collaborazione con la Oregon State University. I vantaggi dell’energia derivante dal moto ondoso sono numerosi: densità di potenza: l’energia delle onde consente ai parchi marini di produrre notevoli quantità di energia, molto più di quella ottenibile da altri metodi di generazione di energia rinnovabile; prevedibilità: la fornitura di energia dal mare può essere prevista con certezza molti giorni in anticipo e consente alle utilities di pianificare in modo preciso gli approvvigionamenti; costanza: a differenza dell’energia solare, che viene prodotta solo durante il giorno, gli oceani sono attivi 24 ore al giorno; vicinanza alle stazioni di distribuzione: il 37% della popolazione mondiale vive a 60 miglia dalla costa e il 70% vive a 200 miglia, quindi l’energia marina non richiede sostanziali infrastrutture per il trasporto.

Simulazione delle onde

L’industria dell’energia da moto ondoso affronta però una sfida ulteriore in quanto i progettisti di strumenti e sistemi di questo settore hanno meno esperienza rispetto ai professionisti nel campo di altre energie rinnovabili. Le aziende operanti nel settore del moto ondoso devono incrementare l’efficienza e ridurre i costi in tempi rapidissimi per dimostrare i vantaggi a clienti e ad investitori. Altri settori hanno impiegato decine di anni per sviluppare la tecnologia in modo da renderla commerciabile, ma il settore del moto ondoso non può permetterselo. Per raggiungere questi ambiziosi obiettivi, questo settore deve rapidamente migliorare la progettazione utilizzando un capitale limitato.

Columbia Power è focalizzata sullo sviluppo di sistemi ad azionamento diretto che non richiedono l’utilizzo di passaggi di conversione pneumatica e idraulica con le conseguenti perdite ad essi associate. L’azienda crede che i sistemi ad azionamento diretto siano il futuro dell’energia da moto ondoso perché sono efficienti ed affidabili, oltre che di facile manutenzione.  La sfida maggiore è stata l’ottimizzazione della boa di segnalazione per massimizzare la portata di energia trasmessa alla boa stessa.

La capacità relativa è una misura senza dimensioni dell’efficienza del dispositivo nel catturare l’energia disponibile dell’onda. La capacità relativa 1, per esempio, indica che la boa di segnalazione ha catturato il 100% dell’energia disponibile. Quando Columbia Power ha deciso di ottimizzare la forma della boa, gli analisti hanno valutato cinque tecnologie di simulazione diverse. L’azienda ha scelto Ansys Aqwa per la sua facilità d’uso e a seguito dei risultati di benchmark che hanno evidenziato le caratteristiche di Ansys nell’accuratezza dei risultati, corrispondenti a quelli ricavati dai test fisici. Inoltre, il software offre soluzioni sia nel dominio del tempo sia nella frequenza. Queste ultime sono più veloci e pertanto ideali per la valutazione rapida di un ampio numero di forme, mentre le soluzioni nel dominio del tempo offrono un più ampio livello di accuratezza, necessario per ottimizzare la forma nelle fasi finali del processo di progettazione.

Dati reali e simulazione

Gli ingegneri Columbia Power hanno sviluppato un concetto di design iniziale in SolidWorks, hanno costruito un prototipo in scala 1/33 e lo hanno provato alla Tsunami Wave Basin dell’Hinsdale Wave Laboratory, presso l’Università Statale dell’Oregon. Il team ha utilizzato telecamere ad alta risoluzione per tracciare dei diodi luminosi posti sulla boa durante le oscillazioni generate in vasca, così da poterne misurare il movimento tra le onde. Il modello è stato poi importato in Ansys Aqwa ed è stata lanciata la simulazione nel dominio del tempo simulando una situazione delle con la stessa ampiezza e frequenza come quella misurata nella vasca dei test. Il risultato è stato un ottimo match tra le misure in vasca e le previsioni ottenute da Ansys Aqwa. Da allora gli ingegneri hanno utilizzato questo software come strumento primario di progettazione per ottimizzare la forma della boa costruita in fiber-reinforced plastic (FRP).

Da allora Columbia Power ha valutato oltre 350 differenti possibili forme della boa utilizzando solo Ansys Aqwa, con l’obiettivo di massimizzare la relativa capacità di assorbimento della boa. Tutto questo con la collaborazione della società Ershings, il partner incaricato della produzione in serie dei galleggianti FRP, indispensabile per mantenere un controllo incrociato tra le forme proposte dal software e i costi di produzione, uno dei fattori critici di successo del progetto. L’azienda ha posto attenzione anche all’impatto ambientale dei progetti di boa proposti. Gli ingegneri Columbia Power hanno usato un’onda di forma sinusoidale e onde di frequenze comprese in un range tra i due e i venti secondi per le simulazioni nel dominio della frequenza. Le risposte in ampiezza calcolate da Ansys Aqwa sono state usate nel post processing, realizzato con uno script pensato dagli ingegneri Columbia Power, che hanno così calcolato la coppia relativa e la velocità della boa così come molti altri parametri caratteristici del fenomeno.

Quando si sono avvicinati al progetto ottimale, gli ingegneri Columbia Power si sono dedicati all’analisi nel dominio del tempo, che rende possibile valutare gli effetti non lineari delle onde. Il team ha considerato le varianti che si sono rivelate migliori nelle prime analisi, dove erano già stati presi in considerazione diverse situazioni di onde marine tra cui quelle rilevate nella realtà in sette differenti ubicazioni geografiche nel mondo. Contemporaneamente, gli ingegneri hanno iniziato a ottimizzare il sistema che converte l’energia meccanica in elettrica. I modelli risultati da Ansys Aqwa sono stati postprocessati in Matlab Simulink per incorporare la coppia del generatore elettrico durante i vari spunti e per calcolare la potenza in uscita. I modelli nel dominio del tempo di Ansys Aqwa sono stati accoppiati a DLL, che ha simulato le operazioni sia  lineari sia non lineari. Il DLL per l’analisi dello spunto è stato sviluppato in Matlab Real Time. Gli ingegneri hanno utilizzato l’output da Ansys Aqwa per governare un modello numerico sviluppato in Simulink, che ha permesso di elaborare il sistema di controllo del generatore in modo che questo si adatti al tipo di onde del momento attraverso variazioni di carico meccanico del sistema. Il workflow così costruito consente di avere un unico modello virtuale che è in grado di tenere in considerazione la forma della boa, il generatore di corrente e il suo sistema di controllo, e quindi valutarne l’interazione. Rende inoltre possibile determinare la potenza che sarebbe generata da ciascun approccio in una varietà di condizioni climatiche.

Simulazione elettromagnetica

Columbia Power ha recentemente adottato anche Ansys Maxwell come software per la simulazione elettromagnetica, per ottimizzare il design del generatore. Anche in questo caso gli ingegneri hanno valutato tre diversi software per la simulazione elettromagnetica ed hanno individuato in Maxwell quello più stabile e affidabile. Maxwell è stato utilizzato per valutare le performance elettromagnetiche del generatore al variare del gap di aria tra rotore e statore, differenti geometrie del magnete, vari tipi di magnete e diversi tipi di metallo. L’obiettivo finale è massimizzare l’output di energia del generatore minimizzando i costi. Come start-up tecnologica con fondi limitati, Columbia Power deve essere efficiente nella gestione del capitale. Focalizzando i propri sforzi sulla simulazione ed utilizzando i test fisici con parsimonia, come ultimo strumento di verifica, l’azienda ha fatto progressi molto più velocemente che con qualsiasi altro metodo tradizionale. I software per la simulazione Ansys Aqwa e Maxwell consentono all’azienda di fare molteplici prove e di commettere errori solo su computer, correggendoli ben prima di realizzare prototipi o macchine costose.  In particolare Ansys Aqwa ha già consentito di raddoppiare l’efficienza del sistema di generazione di energia da moto ondoso di Columbia Power, che ha beneficiato anche del supporto tecnico e dei training forniti da Ansys. Come risultato, l’azienda è vicina a effettuare la prima dimostrazione della sua tecnologia nell’oceano, a Puget Sound.

B. S. Lamb, presidente e K. Rhinefrank, vice presidente R&D, Columbia Power Technologies.

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