Simulación end-to-end de parques eólicos offshore mediante Ansys
Este blog post explora cómo las herramientas de simulación abordan los desafíos del diseño de parques eólicos offshore, optimizando el rendimiento y reduciendo costos en el proceso de desarrollo.
La energía eólica marina es una fuente de energía renovable, inagotable y limpia que contribuye a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Los parques eólicos marinos aprovechan la energía cinética del viento en alta mar para generar electricidad. Las turbinas eólicas ya instaladas en tierra en España ya no son suficientes para generar energía suficiente y reducir el consumo de fuentes no renovables. La instalación de plataformas offshore va a permitir la instalación de wind farms sin acercarse a los centros urbanos.
El viento que incide sobre los álabes de los aerogeneradores produce un movimiento de rotación a baja velocidad que, tras pasar por una una caja multiplicadora, permite aumentar la velocidad de giro en órdenes de grandeza, haciendo posible convertir la energía mecánica en eléctrica mediante un generador.
Los parques eólicos marinos presentan varias ventajas con respecto a sus homólogos en tierra:
- El recurso eólico es aproximadamente un 20% mayor que en tierra firme, lo que permite aumentar la generación eléctrica a igual tamaño de aerogenerador.
- La menor rugosidad de la superficie del mar hace que la altura necesaria para captar el recurso sea menor, por lo que se requieren mástiles más bajos para lograr potencias similares.
- El transporte de los componentes al emplazamiento final no está dificultado por la orografía del terreno.
Clasificación de las estructuras eólicas marinas
La clasificación de las estructuras eólicas marinas viene dada por cómo se fija el aerogenerador al lecho marino. Existen dos categorías: fijas y flotantes.
- Aerogeneradores marinos fijos (hasta 60 m de profundidad):
Emplean bien una cimentación monopilote o bien un soporte “multi-legged jacket” (cimentación con varios puntos de anclaje).
- Aerogeneradores marinos flotantes (más de 60 m de profundidad):
Permiten ubicar el parque eólico marino en emplazamientos más alejados y con mayor recurso eólico. Dependiendo del sistema de anclaje al lecho marino se clasifican en plataforma monopilar flotante (Spar Buoy), plataforma de amarre en tensión (Tension Leg Platform) y plataforma semisumergible.
Desafíos técnicos de la energía eólica marina
El diseño de un parque eólico marino requiere un enfoque multifísico que permita abordar la complejidad del entorno y de las estructuras que interactúan entre sí.
Para poder diseñar los componentes en condiciones de funcionamiento reales es necesario tener en cuenta de forma conjunta aspectos aerodinámicos, hidrodinámicos, estructurales, térmicos y eléctricos.
Algunos de estos retos ingenieriles son los siguientes:
- Diseñar álabes más grandes, ligeros y resistentes.
- Predecir las deformaciones en piezas fabricadas con materiales compuestos.
- Predecir la rigidez, resistencia y vida útil de álabes, mástil y góndola en una fase temprana del proceso de diseño.
- Prevenir la rotura de los álabes durante el transporte.
- Analizar los sistemas de amarre de la plataforma flotante sometidos a estados de mar arbitrarios.
- Optimizar la forma de los álabes para adaptar el diseño a la distribución de viento en el emplazamiento.
- Caracterizar mejor la turbulencia del aire y las estelas (pérdida de velocidad a sotavento del aerogenerador) para mejorar el rendimiento y la fiabilidad.
- Aumentar la densidad de potencia para satisfacer la creciente demanda.
Puntos fuertes de las herramientas Ansys para afrontar estos desafíos
- Flujo de trabajo end-to-end.
- Acoplamiento entre distintas físicas totalmente integrado y fácil de usar.
- Aceleración del ciclo de diseño: la simulación reduce significativamente el tiempo de investigación y desarrollo a la vez que optimiza la producción de energía. El ingeniero puede explorar un mayor número de opciones en menor tiempo para optimizar el diseño.
- Estudios paramétricos en las primeras fases del ciclo de diseño para reducir el tiempo de comercialización.
A continuación se presentan las herramientas de Ansys que permiten afrontar los desafíos mencionados anteriormente.
Wind farming y selección de emplazamientos
Ansys WindModeller es una herramienta que permite a ingenieros no expertos en CFD realizar simulaciones de parques eólicos de forma automatizada. Para ello incorpora un flujo de trabajo totalmente guiado, incluyendo geometría automatizada, generación de malla, simulación y extracción de resultados.
Entre sus ventajas destacan:
- Poder comparar distintas opciones de layout para maximizar el rendimiento energético.
- Poder incluir en la simulación los efectos y pérdidas causados por estelas y bloqueos.
- Evaluación detallada del comportamiento del parque para condiciones de viento específicas.
- Generación automática de informes.
- Predicción energética de parques eólicos.
Pérdidas por estelas en parque eólico offshore.
Análisis hidrodinámico de estructuras offshore
Ansys AQWA™ es una suite de análisis hidrodinámico basada en métodos tridimensionales de difracción/radiación que permite:
- Evaluar globalmente grandes cuerpos.
- Modelar el entorno (viento, oleaje y corriente) .
- Modelar los sistemas de amarre (cables, elevadores, defensas, juntas…).
- Analizar la estabilidad de aerogeneradores flotantes en condiciones de mar y viento.
- Determinar la posición de equilibrio.
- Analizar la interacción línea de amarre-estructura.
- Realizar análisis dinámicos en el dominio de la frecuencia.
Optimización multifísica: acoplamiento aero-hidroelástico mediante Ansys.
Análisis fluidodinámico CFD
Ansys Fluent® es el software por excelencia para cálculo fluidodinámico.
Tiene propósito general y se utiliza para modelar el flujo de fluidos y la transferencia de calor y masa, entre otros. Todo ello en un espacio personalizable e intuitivo.
A nivel hidrodinámico, permite la evaluación detallada de la respuesta ante cargas de oleaje complejas
Análisis mecánico estructural
Ansys Mechanical™ es un solver de análisis por elementos finitos (FEA) que permite resolver problemas complejos de ingeniería estructural y tomar decisiones de forma más rápida. Es idóneo para:
- Analizar globalmente la estructura obteniendo los campos de desplazamientos y tensiones.
- Realizar el análisis detallado de regiones con tensiones elevadas mediante submodelado.
- Hacer cálculos empleando materiales compuestos.
- Modelar uniones atornilladas y cordones de soldadura.
- Estudiar la respuesta dinámica ante cargas de vibración y choque.
- Hacer el estudio hidrodinámico de cuerpos esbeltos.
Simulación estructural en álabe de rotor.
Soluciones electromagnéticas
Ansys Motor-CAD™ y Ansys Maxwell® son las soluciones de Ansys para el diseño de sistemas electromagnéticos que van instalados en turbinas eólicas. Permiten un workflow de diseño electromagnético desde el dimensionamiento preliminar hasta el diseño detallado y la optimización
Mantenimiento predictivo y gemelos digitales
Ansys Twin Builder® permite la monitorización continua e instantánea de la respuesta estructural del sistema eólico marino, la predicción en tiempo real de la vida útil restante, así como la simulación de escenarios hipotéticos para instalación directa en el sistema, control de datos con respuesta en tiempo real, utilizando todo el portafolio de Ansys en el complemento de los datos que vienen de sensores instalados en el equipo en operación.
Herramientas clave para impulsar la energía eólica offshore
La energía eólica marina representa una fuente de energía renovable, inagotable y limpia, clave para la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Diseñar un parque eólico marino es un desafío que requiere un enfoque multifísico capaz de integrar las diversas fuerzas que actúan sobre las estructuras marinas, como las cargas de viento, oleaje y corrientes.
En este contexto, las herramientas de simulación de Ansys se convierten en aliados fundamentales para los ingenieros. Ansys WindModeller simplifica el proceso de simulación de parques eólicos, permitiendo que incluso usuarios no expertos en CFD puedan automatizar tareas complejas. Por otro lado, Ansys AQWA ofrece un análisis hidrodinámico detallado, ideal para evaluar el comportamiento global de grandes cuerpos en entornos marinos.
Para las evaluaciones fluidodinámicas avanzadas, Ansys Fluent proporciona información precisa sobre la respuesta ante cargas de oleaje complejas. Complementando este análisis, Ansys Mechanical, con su capacidad para resolver problemas estructurales a través del análisis por elementos finitos (FEA), permite estudiar tanto el comportamiento global como los detalles más específicos de las estructuras.
Gracias a esta suite de herramientas integradas, Ansys ofrece soluciones completas que abarcan todas las etapas del diseño, reduciendo significativamente la necesidad de ensayos físicos costosos, como pruebas mecánicas y mediciones experimentales en túneles de viento. Esto no solo optimiza los recursos, sino que también acelera el desarrollo de proyectos de energía eólica marina de alta complejidad.
La simulación Ansys aborda los desafíos de la energía eólica marina: desde el diseño y selección del emplazamiento hasta la monitorización.
¿Te interesa descubrir cómo la simulación computacional puede transformar los desafíos de la energía eólica en oportunidades para tu empresa? Ponte en contacto con uno de nuestros especialistas hoy mismo.
