擁抱綠色革命！揭秘CAE仿真技術在風電能源領域的應用

神工坊（高性能仿真）

2024年3月28日 15:33

眾所周知，風能是清潔能源的代表，而風電更是其核心。伴隨著全球電力需求的日益增長以及環保節能意識的逐漸加強，加強生態文明建設，推進綠色低碳發展，已成為當今社會的共識。政府工作報告提到，過去一年可再生能源發電裝機規模歷史性超過火電，全年新增裝機超過全球一半。2024年，政府將加強大型光伏基地和外送通道建設，推動分布式能源開發利用，促進綠電使用，確保經濟社會發展用能需求。

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發展新質生產力已成為國家級戰略，站在新起點上，風電能源行業迎來新的歷史機遇。CAE仿真技術在行業發展中發揮著越來越重要的作用。

風電行業的“卡脖子”技術

風力發電涉及多個學科領域的交叉，如空氣動力學、機械設計制造、電氣工程、自動化控制、材料科學以及海洋工程等。經過三十余年的持續發展，當前我國陸上風電技術已經發展至相對成熟的階段，并具備一定市場規模。然而，相對于陸上風電，海上風電技術的發展尚處于初期應用階段。當前，近海風電技術與深遠海風電技術在發展進程上存在差異。近海風電技術已經逐漸展現出其競爭力，而深遠海風電技術剛剛進入市場，但尚未形成明顯的優勢。

圖片來源：《中國碳中和目標下的風光技術展望》

此外，仍有一些技術瓶頸有待解決，風能產業鏈部分環節對國外依賴度比較高，主要包括風資源分析、風電機組整機設計仿真等工程仿真軟件 ，關鍵軸承、變流器、控制器中的關鍵電子器件，碳纖維、巴沙木、潤滑劑等關鍵材料等。其中較為突出的有幾個方面：

圖片來源：《中國碳中和目標下的風光技術展望》

在風能領域，風電機組整機設計仿真軟件、有限元分析軟件、CAD軟件、數值計算軟件以及風電場開發設計等仿真軟件的應用，高度依賴于國外企業。 目前國內已開展相關軟件研究，但尚未達到商業軟件層面。

圖片來源：《中國碳中和目標下的風光技術展望》

另一方面，隨著風電機組單機額定容量的不斷提升，葉片尺寸也在逐步增大。這導致超長葉片產品的輕量化、可靠性、安全性、效率和經濟性等方面的問題愈發突出。然而，我國仍主要依賴國外的葉片設計技術，對于大型柔性葉片的氣彈穩定性機理缺乏深入的理解，同時缺乏基于氣彈耦合效應的高效、低載、輕量化設計技術。 ^[1]

CAE技術在風電機組設計中的應用

風電機組作為高技術密集型產品，是風電技術的核心，其性能直接影響到風電場的發電效率和經濟效益，在設計過程中涉及到力學、自動控制、機械設計、電機學等多門學科，是一個及其復雜的系統工程。目前，在風電機組的設計中廣泛使用CAE仿真技術，實現全三維數字設計和整機特性的有限元分析。

01 葉片設計

風輪葉片是風電機組的關鍵部件，其氣動性能直接影響到風能轉換效率。通過CAE技術，工程師可以進行葉片的氣動外形設計、結構優化和強度分析。利用計算流體動力學模擬葉片周圍的流場，優化葉片的氣動性能，提高風能捕獲效率。同時，通過有限元分析確保葉片在各種工況下的結構安全性。

02 塔架和基礎設計

風電機組的塔架和基礎需要承受復雜的載荷，包括風載、重力載和動態響應等。CAE技術可以對塔架和基礎進行靜力學和動力學分析，評估其在各種工況下的穩定性和安全性。此外，通過優化設計，可以減輕塔架重量，降低材料成本，提高經濟性。

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除此以外，CAE技術在整機部件設計中的應用還包括以下幾部分：

（1）疲勞強度分析。疲勞失效是風電機組最主要的失效形式，在設計階段可根據仿真計算得到的模擬載荷譜，或現場測試得到的實際載荷譜，使用專用的多軸疲勞分析軟件，對各主要部件進行疲勞強度分析，保證設計的可靠性。

（2）螺栓連接分析。螺栓連接是風電機組最主要的連接形式，如葉片與輪轂、主軸與輪轂、軸承座與主機架、各節塔架之間都是通過高強螺栓進行連接。必須對各螺栓連接的極限強度和疲勞強度進行校核，保證各連接的可靠性。

（3）振動模態分析。由于葉片、塔架、主傳動鏈之間的相互耦合，機組極易在運行過程中發生共振，造成振動過大停機故障甚至發生損壞。因此必須在設計過程中對各部件及整機進行模態分析，使各部件具有合理的模態頻率，保證機組的平穩運行。^[2]

神工坊在風電行業的應用案例

為滿足風電機組大規模并行的仿真需求，神工坊推出仿真軟件并行架構升級服務。通過高性能改造，能夠讓軟件適配國產超級計算機發揮出極限性能，基于高性能數值模擬框架，可以低代碼開發的同時高效實現物理模型和求解器，從而快速轉化為軟件工具。

01基于swOpenFOAM的某智慧風場平臺

某風電整機領域的頭部企業，為實現對風場風機發電量的實時精準評估，對風資源分析的分辨率提出了極高的要求，并需要開展大規模的仿真分析。然而，現有的硬件和軟件資源無法滿足現場高效運作的需求。

基于神工坊平臺，該企業成功完成了仿真求解模塊的高性能改造及部署，整體性能得到顯著提升，提升了4.2倍 。這一重要改進為風資源工程師提供了強大的支持，使他們能夠順利完成超過2000個 風資源項目的設計和評估任務。

此外，該企業還依托超算平臺，自主研發了風功率預報系統——孔明。該系統已正式發布并推廣，憑借其卓越的性能和實用性，已成為行業內的標桿應用。

swOpenFOAM

swOpenFOAM是國家超級計算無錫中心“神工坊”團隊對OpenFOAM進行深度移植優化形成的一款可以在國產“神威·太湖之光”超級計算機上進行大規模多級并行計算的通用CFD軟件。我們對OpenFOAM的多個核心計算模塊進行了從核加速，覆蓋通量計算和代數求解，涉及大量計算熱點，熱點最高加速15倍。

延伸閱讀：神威OpenFOAM——最流行的開源CFD軟件與神威·太湖之光的珠聯璧合

02風電場建模仿真

風力機在風場運行時需要根據風機受力和功率情況進行變槳、偏航等控制調整，以獲取最佳風能利用率，避免出現超載。同時在風機陣列情況下，復雜地形對流場影響也比較大，因此機陣列中每臺風機的受力和功率分析是風機控制中的重要環節，但國內暫無一款能夠考慮地形影響因素，進行風電場陣列風機的CFD仿真工具。

經過精心設計與開發，神工坊構建了一個基于開源仿真求解器的風電場陣列風機功率快速預測應用，并針對國家電網某實際風電場進行建模驗證。該應用作為風電場數字孿生項目的重要子課題，入選國家電網促進“雙碳目標”重要展示應用。

此外，神工坊精心推出一站式高性能工業仿真平臺，平臺集成了OpenRadioss、HyperMesh等風電行業常用CAE軟件，用戶通過web端即可享受“PC式高性能體驗”，使用超算硬件資源和海量軟件資源開展風電設備設計仿真工作，高效快速地進行產品創新和技術研究。在云端實現前處理-求解-后處理全流程作業，以及企業組織管理和研發協同。