Simulação end-to-end de parques eólicos offshore com Ansys
Descubra como as ferramentas de simulação enfrentam os desafios no projeto de parques eólicos offshore, otimizando o desempenho e reduzindo custos no processo de desenvolvimento.
A energia eólica marinha é uma fonte de energia renovável, inesgotável e limpa, que ajuda a reduzir as emissões de gases de efeito estufa. Os parques eólicos marinhos aproveitam a energia cinética do vento no mar para gerar eletricidade. As turbinas eólicas instaladas em terra em Espanha já não são suficientes para gerar energia suficiente e reduzir o consumo de fontes não renováveis. A instalação de plataformas offshore permitirá a instalação de parques eólicos sem a necessidade de se aproximar dos centros urbanos.
O vento que incide sobre as lâminas dos aerogeradores gera um movimento de rotação de baixa velocidade que, ao passar por uma caixa multiplicadora, permite aumentar a velocidade de rotação em ordens de grandeza, tornando possível converter a energia mecânica em elétrica por meio de um gerador.
Os parques eólicos marinhos apresentam várias vantagens em relação aos terrestres:
- O recurso eólico é cerca de 20% maior no mar, o que permite aumentar a geração elétrica com o mesmo tamanho de aerogerador.
- A menor rugosidade da superfície do mar faz com que a altura necessária para captar o recurso seja menor, exigindo mastros mais baixos para gerar potências similares.
- O transporte dos componentes para o local final não é dificultado pela geografia do terreno.
Classificação das estruturas eólicas marinhas
A classificação das estruturas eólicas marinhas é determinada pela forma como o aerogerador é fixado ao fundo do mar. Existem duas categorias: fixas e flutuantes.
- Aerogeradores marinhos fixos (até 60 m de profundidade):
Utilizam uma fundação monopiloto ou um suporte “multi-legged jacket” (fundação com vários pontos de ancoragem).
- Aerogeradores marinhos flutuantes (mais de 60 m de profundidade):
Permitem posicionar o parque eólico em locais mais afastados e com maior recurso eólico. Dependendo do sistema de ancoragem ao fundo do mar, são classificados como plataforma monopilar flutuante (Spar Buoy), plataforma de amarração em tensão (Tension Leg Platform) e plataforma semisubmersível.
Desafíos técnicos da energia eólica marinha
O projeto de um parque eólico marinho exige uma abordagem multifísica que permita lidar com a complexidade do ambiente e das estruturas que interagem entre si. Para projetar os componentes sob condições reais de operação, é necessário considerar aspectos aerodinâmicos, hidrodinâmicos, estruturais, térmicos e elétricos de forma integrada.
Alguns dos desafios de engenharia são:
- Projetar lâminas maiores, mais leves e resistentes.
- Prever as deformações em peças fabricadas com materiais compostos.
- Prever a rigidez, resistência e vida útil das lâminas, mastros e naceles na fase inicial do design.
- Prevenir a quebra das lâminas durante o transporte.
- Analisar os sistemas de ancoragem das plataformas flutuantes em condições de mar variáveis.
- Otimizar a forma das lâminas para ajustar o design à distribuição do vento no local.
- Caracterizar melhor a turbulência do ar e as esteiras (perda de velocidade a sotavento do aerogerador) para melhorar o desempenho e a confiabilidade.
- Aumentar a densidade de potência para atender à crescente demanda.
Pontos fortes das ferramentas Ansys para enfrentar esses desafios
- Fluxo de trabalho end-to-end.
- Acoplamento entre físicas distintas totalmente integrado e fácil de usar.
- Aceleração do ciclo de projeto: A simulação reduz significativamente o tempo de pesquisa e desenvolvimento, otimizando a produção de energia. O engenheiro pode explorar mais opções em menos tempo para otimizar o design.
- Estudos paramétricos nas fases iniciais do design para reduzir o tempo para atingir o mercado.
A seguir, conheça as ferramentas Ansys que ajudam a enfrentar os desafios mencionados.
Wind farming e seleção de locais
O Ansys WindModeller é uma ferramenta que permite que engenheiros não especializados em CFD realizem simulações de parques eólicos de forma automatizada. Ela incorpora um fluxo de trabalho totalmente guiado, incluindo geometria automatizada, geração de malha, simulação e extração de resultados.
Algumas vantagens incluem:
- Comparar diferentes opções de layout para maximizar o desempenho energético.
- Incluir os efeitos e perdas causados por esteiras e bloqueios na simulação.
- Avaliação detalhada do comportamento do parque sob condições de vento específicas.
- Geração automática de relatórios.
Perda de energia por esteira em parque eólico offshore
Análise hidrodinâmica de estruturas offshore
O Ansys AQWA™ é uma suíte de análise hidrodinâmica que utiliza métodos tridimensionais de difração/radiação e permite:
- Avaliar grandes corpos globalmente.
- Modelar o ambiente (vento, ondas e correntes).
- Modelar os sistemas de ancoragem (cabos, elevadores, defensas, etc.).
- Analisar a estabilidade de aerogeradores flutuantes em condições de mar e vento.
- Determinar a posição de equilíbrio.
- Realizar análise dinâmica no domínio da frequência.
Otimização multifísica: acoplamento aero-hidroelástico em simulação Ansys.
Análise fluidodinâmica CFD
O Ansys Fluent® é o software por excelência para cálculos fluidodinâmicos. Ele é usado para modelar o fluxo de fluidos e a transferência de calor e massa, entre outros. No âmbito hidrodinâmico, permite uma avaliação detalhada da resposta a cargas complexas de ondas.
Análise mecânica estructural
O Ansys Mechanical™ é um solver de análise por elementos finitos (FEA) que resolve problemas complexos de engenharia estrutural, permitindo tomar decisões rápidas. Ele é ideal para:
- Analisar a estrutura globalmente, obtendo campos de deslocamento e tensão.
- Realizar análise detalhada de regiões com altas tensões.
- Calcular usando materiais compostos.
- Modelar uniões aparafusadas e soldadas.
- Estudar a resposta dinâmica a cargas de vibração e choque.
- Realizar o estudo hidrodinâmico de corpos esbeltos.
Simulação de pá de rotor.
Soluções eletromagnéticas
Ansys Motor-CAD™ e Ansys Maxwell® são as soluções da Ansys para o design de sistemas eletromagnéticos instalados em turbinas eólicas. Elas oferecem um fluxo de trabalho de design eletromagnético, desde o dimensionamento preliminar até o design detalhado e otimização.
Manutenção preditiva e gêmeos digitais
O Ansys Twin Builder® permite monitoramento contínuo da resposta estrutural do sistema eólico marinho, previsão em tempo real da vida útil restante, além de simular cenários hipotéticos para instalação direta no sistema, controle de dados com resposta em tempo real, utilizando todo o portfólio da Ansys em complemento aos dados dos sensores instalados nos equipamentos operacionais.
Ferramentas chave para impulsionar a energia eólica offshore
A energia eólica marinha é uma fonte renovável, inesgotável e limpa, essencial para reduzir as emissões de gases de efeito estufa. O design de um parque eólico marinho exige uma abordagem multifísica, que integra as diversas forças que atuam sobre as estruturas marinhas, como vento, ondas e correntes.
Neste contexto, as ferramentas de simulação da Ansys se tornam essenciais para os engenheiros. O Ansys WindModeller simplifica a simulação de parques eólicos, permitindo que até usuários sem experiência em CFD automatizem tarefas complexas. O Ansys AQWA oferece uma análise hidrodinâmica detalhada, ideal para avaliar o comportamento global de grandes corpos em ambientes marinhos.
Para avaliações avançadas de fluidodinâmica, o Ansys Fluent oferece informações precisas sobre a resposta a cargas complexas de ondas. Complementando essa análise, o Ansys Mechanical, com sua capacidade de resolver problemas estruturais por meio de análise de elementos finitos (FEA), permite estudar tanto o comportamento global quanto os detalhes mais específicos das estruturas.
Graças a essa suíte integrada de ferramentas, a Ansys oferece soluções completas que cobrem todas as etapas do design, reduzindo significativamente a necessidade de testes físicos caros, como ensaios mecânicos e medições experimentais em túneis de vento. Isso não só otimiza os recursos, como também acelera o desenvolvimento de projetos de energia eólica marinha de alta complexidade.
A simulação Ansys aborda os quatro grandes desafios de design e fabricação do parque, o design da turbina e sua confiabilidade operacional.
Está interessado em descobrir como a simulação computacional pode transformar os desafios da energia eólica em oportunidades para sua empresa? Entre em contato com um dos nossos especialistas agora mesmo.
