Aprovechar la fuerza de las olas del mar para generar electricidad es desde hace tiempo un objetivo de los defensores de las energías limpias y renovables. Los ingenieros de Carnegie Wave Energy han dado un gran paso hacia la consecución de ese objetivo con el Proyecto de Energía de las Olas de Perth (PWEP), el único conjunto de energía de las olas conectado a la red eléctrica que funciona actualmente en el mundo. El proyecto demuestra la viabilidad de la tecnología CETO de la empresa, que genera energía a partir del oleaje oceánico mediante boyas sumergidas. Las bombas accionadas por el movimiento de las boyas de 11 metros de diámetro presurizan el agua para impulsar los dispositivos de conversión hidroeléctrica, generando hasta 240 kW de electricidad sin emisiones.
Los ingenieros de Carnegie utilizaron Simulink® para simular un prototipo virtual de la tecnología CETO 5.
«Sería terriblemente complejo construir un modelo a escala de nuestro sistema completo para todas las diferentes variantes que consideramos en la fase de diseño», dice Jonathan Fiévez, director de tecnología de Carnegie. «Con Simulink y SimHydraulics construimos prototipos virtuales que nos permiten predecir el rendimiento del sistema en distintas condiciones marítimas, simular casos de fallo y analizar las cargas para poder seleccionar el mejor diseño y especificar con precisión los requisitos de los componentes a nuestros proveedores.»
El Reto
Antes de construir el sistema CETO, los ingenieros de Carnegie Wave Energy necesitaban saber qué carga soportarían los componentes mecánicos para poder dimensionarlos adecuadamente. Los componentes demasiado pesados o resistentes añadirían costes, pero los que no fueran lo suficientemente fuertes podrían fallar en mares tormentosos. Los ingenieros querían analizar las cargas y estimar la producción de energía sin construir un modelo a escala de todo el sistema.
En los sistemas CETO, la fuerza hidrodinámica del océano se convierte primero en energía mecánica por el movimiento de la boya, luego en energía hidráulica por la bomba y finalmente en energía eléctrica por los dispositivos de conversión hidroeléctrica. Los ingenieros de Carnegie necesitaban una forma de modelar este sistema multidominio y realizar simulaciones para una serie de configuraciones, condiciones del mar y fallos. Además, necesitaban analizar rápidamente los resultados de la simulación y los datos recogidos de los sistemas desplegados para perfeccionar sus modelos, optimizar los diseños y demostrar la tecnología a posibles clientes e inversores.
La Solución
Carnegie Wave Energy utilizó Simulink y Simscape Fluids™ para crear y simular modelos multidominio para su tecnología de energía de las olas.
Trabajando en Simulink, el equipo creó un modelo 2D de la boya, la bomba y el cable que los conecta. Modelaron el momento aplicado a la bomba, así como el desplazamiento angular de la misma, utilizando una función personalizada de MATLAB® incorporada al modelo de Simulink.
Con Simscape Fluids, los ingenieros modelaron el circuito hidráulico del sistema, incluidos los cilindros hidráulicos y los cojines de los cilindros, las válvulas de retención, los acumuladores, las tuberías y los dispositivos de conversión hidroeléctrica.
Utilizaron bloques de tuberías segmentadas para modelar los más de seis kilómetros de tuberías del CETO 5 y representar la inercia, la compresibilidad y las propiedades resistivas del fluido.
Tras crear modelos de estado del mar en Simulink basados en 30 años de datos oceánicos, el equipo realizó cientos de simulaciones para analizar las cargas, los flujos, las presiones, la fatiga y otras métricas clave del sistema.
Redujeron los tiempos de simulación ejecutando múltiples simulaciones en paralelo en procesadores de ocho y doce núcleos con Parallel Computing Toolbox™.
Los resultados de la simulación se analizaron en MATLAB. Por ejemplo, el equipo realizó un análisis estadístico de los resultados de la simulación para proporcionar a los proveedores histogramas de los datos de fatiga.
Cientos de sensores en la instalación PWEP recogen datos sobre presiones, caudales y temperaturas en el sistema hidráulico; tensión y frecuencia de corriente en el sistema eléctrico; y carga, desplazamiento y aceleración en el sistema mecánico. Tras analizar estos datos en MATLAB, los ingenieros utilizaron los resultados para validar sus modelos. Las pruebas iniciales sugieren una fuerte correlación entre los resultados modelados y los medidos. Carnegie trabaja actualmente en el CETO 6, que se espera que produzca 1 MW de electricidad por boya.
Los Resultados
Pruebas a escala minimizadas. «Construir prototipos físicos para las pruebas a escala es costoso y lleva mucho tiempo, y desarrollar métodos de escalado robustos para las cargas mecánicas y el sistema hidráulico es un ejercicio complejo», dice Fiévez. «Con Simscape Fluids simplemente cambiamos la simulación para adaptarla al tamaño o alcance del sistema que queríamos modelar».
Se obtuvieron conocimientos cruciales sobre el diseño. «Simulink reveló comportamientos del sistema que no habíamos previsto», dice Alex Pichard, ingeniero de análisis de Carnegie Wave Energy. «Por ejemplo, necesitábamos determinar la posición del pistón que minimizara la carga cuando instaláramos el sistema. Nuestra intuición nos decía que debíamos bajar el pistón lo máximo posible, pero las simulaciones mostraron que debía estar casi totalmente extendido.»
Los estudios de sensibilidad se aceleraron. «Nuestros estudios de sensibilidad requieren numerosas simulaciones porque normalmente simulamos de 15 a 20 estados del mar para cada valor de parámetro que variamos», dice Jack Jorgensen, ingeniero de análisis. «Con Parallel Computing Toolbox podemos ejecutar las simulaciones en paralelo, y con un ordenador de doce núcleos vemos que la velocidad se multiplica casi por doce».
Para ver el vídeo o más información visite: https://es.mathworks.com/company/user_stories/carnegie-wave-energy-designs-and-builds-the-worlds-first-operating-wave-farm.html?s_eid=PSM_25422
