眾所周知，風(fēng)能是清潔能源的代表，而風(fēng)電更是其核心。伴隨著全球電力需求的日益增長(zhǎng)以及環(huán)保節(jié)能意識(shí)的逐漸加強(qiáng)，加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，推進(jìn)綠色低碳發(fā)展，已成為當(dāng)今社會(huì)的共識(shí)。2024年，政府將加強(qiáng)大型光伏基地和外送通道建設(shè)，推動(dòng)分布式能源開發(fā)利用，促進(jìn)綠電使用，確保經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用能需求。

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  發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力已成為國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略，站在新起點(diǎn)上，風(fēng)電能源行業(yè)迎來(lái)新的歷史機(jī)遇。CAE仿真技術(shù)在行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

  01 風(fēng)電行業(yè)的“卡脖子”技術(shù)

  風(fēng)力發(fā)電涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的交叉，如空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、電氣工程、自動(dòng)化控制、材料科學(xué)以及海洋工程等。經(jīng)過(guò)三十余年的持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前我國(guó)陸上風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展至相對(duì)成熟的階段，并具備一定市場(chǎng)規(guī)模。然而，相對(duì)于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展尚處于初期應(yīng)用階段。當(dāng)前，近海風(fēng)電技術(shù)與深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)在發(fā)展進(jìn)程上存在差異。近海風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)逐漸展現(xiàn)出其競(jìng)爭(zhēng)力，而深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)剛剛進(jìn)入市場(chǎng)，但尚未形成明顯的優(yōu)勢(shì)。

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  此外，仍有一些技術(shù)瓶頸有待解決，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)鏈部分環(huán)節(jié)對(duì)國(guó)外依賴度比較高，主要包括風(fēng)資源分析、風(fēng)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)仿真等工程仿真軟件 ，關(guān)鍵軸承、變流器、控制器中的關(guān)鍵電子器件，碳纖維、巴沙木、潤(rùn)滑劑等關(guān)鍵材料等。其中較為突出的有幾個(gè)方面：

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  在風(fēng)能領(lǐng)域，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)仿真軟件、有限元分析軟件、CAD軟件、數(shù)值計(jì)算軟件以及風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)設(shè)計(jì)等仿真軟件的應(yīng)用，高度依賴于國(guó)外企業(yè)。 目前國(guó)內(nèi)已開展相關(guān)軟件研究，但尚未達(dá)到商業(yè)軟件層面。

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  另一方面，隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)額定容量的不斷提升，葉片尺寸也在逐步增大。這導(dǎo)致超長(zhǎng)葉片產(chǎn)品的輕量化、可靠性、安全性、效率和經(jīng)濟(jì)性等方面的問(wèn)題愈發(fā)突出。然而，我國(guó)仍主要依賴國(guó)外的葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)于大型柔性葉片的氣彈穩(wěn)定性機(jī)理缺乏深入的理解，同時(shí)缺乏基于氣彈耦合效應(yīng)的高效、低載、輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)。 [1]

  02 CAE技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

  風(fēng)電機(jī)組作為高技術(shù)密集型產(chǎn)品，是風(fēng)電技術(shù)的核心，其性能直接影響到風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益，在設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到力學(xué)、自動(dòng)控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、電機(jī)學(xué)等多門學(xué)科，是一個(gè)及其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中廣泛使用CAE仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全三維數(shù)字設(shè)計(jì)和整機(jī)特性的有限元分析。

  1.葉片設(shè)計(jì)

  風(fēng)輪葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，其氣動(dòng)性能直接影響到風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)CAE技術(shù)，工程師可以進(jìn)行葉片的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強(qiáng)度分析。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬葉片周圍的流場(chǎng)，優(yōu)化葉片的氣動(dòng)性能，提高風(fēng)能捕獲效率。同時(shí)，通過(guò)有限元分析確保葉片在各種工況下的結(jié)構(gòu)安全性。

  2.塔架和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

  風(fēng)電機(jī)組的塔架和基礎(chǔ)需要承受復(fù)雜的載荷，包括風(fēng)載、重力載和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。CAE技術(shù)可以對(duì)塔架和基礎(chǔ)進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，評(píng)估其在各種工況下的穩(wěn)定性和安全性。此外，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以減輕塔架重量，降低材料成本，提高經(jīng)濟(jì)性。

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  除此以外，CAE技術(shù)在整機(jī)部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還包括以下幾部分：

   （1）疲勞強(qiáng)度分析。疲勞失效是風(fēng)電機(jī)組最主要的失效形式，在設(shè)計(jì)階段可根據(jù)仿真計(jì)算得到的模擬載荷譜，或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的實(shí)際載荷譜，使用專用的多軸疲勞分析軟件，對(duì)各主要部件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，保證設(shè)計(jì)的可靠性。

  （2）螺栓連接分析。螺栓連接是風(fēng)電機(jī)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(jī)架、各節(jié)塔架之間都是通過(guò)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。必須對(duì)各螺栓連接的極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核，保證各連接的可靠性。

   （3）振動(dòng)模態(tài)分析。由于葉片、塔架、主傳動(dòng)鏈之間的相互耦合，機(jī)組極易在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生共振，造成振動(dòng)過(guò)大停機(jī)故障甚至發(fā)生損壞。因此必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各部件及整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，使各部件具有合理的模態(tài)頻率，保證機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。[2]

  03 神工坊在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用案例

  為滿足風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模并行的仿真需求，神工坊推出仿真軟件并行架構(gòu)升級(jí)服務(wù)。 通過(guò)高性能改造，能夠讓軟件適配國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)揮出極限性能，基于高性能數(shù)值模擬框架，可以低代碼開發(fā)的同時(shí)高效實(shí)現(xiàn)物理模型和求解器，從而快速轉(zhuǎn)化為軟件工具。

  1.基于swOpenFOAM的某智慧風(fēng)場(chǎng)平臺(tái)

    某風(fēng)電整機(jī)領(lǐng)域的頭部企業(yè)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)發(fā)電量的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)評(píng)估，對(duì)風(fēng)資源分析的分辨率提出了極高的要求，并需要開展大規(guī)模的仿真分析。然而，現(xiàn)有的硬件和軟件資源無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)高效運(yùn)作的需求。

    基于神工坊?平臺(tái)，該企業(yè)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(jìn)為風(fēng)資源工程師提供了強(qiáng)大的支持，使他們能夠順利完成超過(guò)2000個(gè) 風(fēng)資源項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和評(píng)估任務(wù)。

    此外，該企業(yè)還依托超算平臺(tái)，自主研發(fā)了風(fēng)功率預(yù)報(bào)系統(tǒng)——孔明。該系統(tǒng)已正式發(fā)布并推廣，憑借其卓越的性能和實(shí)用性，已成為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿應(yīng)用。

swOpenFOAM

  swOpenFOAM是國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心“神工坊”團(tuán)隊(duì)對(duì)OpenFOAM進(jìn)行深度移植優(yōu)化形成的一款可以在國(guó)產(chǎn)“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模多級(jí)并行計(jì)算的通用CFD軟件。我們對(duì)OpenFOAM的多個(gè)核心計(jì)算模塊進(jìn)行了從核加速，覆蓋通量計(jì)算和代數(shù)求解，涉及大量計(jì)算熱點(diǎn)，熱點(diǎn)最高加速15倍。

   

  2.風(fēng)電場(chǎng)建模仿真

  風(fēng)力機(jī)在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)需要根據(jù)風(fēng)機(jī)受力和功率情況進(jìn)行變槳、偏航等控制調(diào)整，以獲取最佳風(fēng)能利用率，避免出現(xiàn)超載。同時(shí)在風(fēng)機(jī)陣列情況下，復(fù)雜地形對(duì)流場(chǎng)影響也比較大，因此機(jī)陣列中每臺(tái)風(fēng)機(jī)的受力和功率分析是風(fēng)機(jī)控制中的重要環(huán)節(jié)，但國(guó)內(nèi)暫無(wú)一款能夠考慮地形影響因素，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)陣列風(fēng)機(jī)的CFD仿真工具。

經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)與開發(fā)，神工坊構(gòu)建了一個(gè)基于開源仿真求解器的風(fēng)電場(chǎng)陣列風(fēng)機(jī)功率快速預(yù)測(cè)應(yīng)用，并針對(duì)國(guó)家電網(wǎng)某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行建模驗(yàn)證。該應(yīng)用作為風(fēng)電場(chǎng)數(shù)字孿生項(xiàng)目的重要子課題，入選國(guó)家電網(wǎng)促進(jìn)“雙碳目標(biāo)”重要展示應(yīng)用。

  此外，神工坊精心推出一站式高性能工業(yè)仿真平臺(tái)，平臺(tái)集成了OpenRadioss、HyperMesh等風(fēng)電行業(yè)常用CAE軟件，用戶通過(guò)web端即可享受“PC式高性能體驗(yàn)”，使用超算硬件資源和海量軟件資源開展風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)仿真工作，高效快速地進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)研究。在云端實(shí)現(xiàn)前處理-求解-后處理全流程作業(yè)，以及企業(yè)組織管理和研發(fā)協(xié)同。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)碳中和目標(biāo)下的風(fēng)光技術(shù)展望.清華大學(xué)碳中和研究院、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,2024

[2] CAE技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].高俊云.風(fēng)能,2014