風能利用的案例
【風能模型】風能模型的發展及 CFD 在風資源開發利用中的應用
隨著風能開發利用規模的擴大，需要對大氣邊界層流場中更多微尺度的運動過程進一步研究。Raithby 等基于 CFD 開展的山地風場研究是這方面最早的工作之一。然而，CFD 對于復雜下墊面高雷諾數的大氣邊界層風場模擬仍面臨挑戰。
本文首先回顧了風能模型的發展 ，包括基于CFD 的風能模型，之后從中尺度到微尺度的“降尺度”、尾流模擬和復雜地形風場模擬 3 個方面詳細評述了 CFD 在風能開發利用中的重要作用，最后對風能模型發展過程中 CFD 方法所面臨的挑戰進行了展望。
風能評估和風電選址模型
CFD模型
大多數 CFD 模型對 N-S 方程進行求解，并使用恒定的入口風剖面運行到收斂。對于理想的情況，比如懸崖或丘陵二維/三維流動， CFD模型表現良好，并能刻畫出湍流的高精度細節特征。
研究發現，由于能夠自適應地生成各種復雜地形上的貼體網格，處理局部的復雜流動，CFD 模型更適應于復雜地形條件下的邊界層流場模擬。
但有一些研究也表明，CFD 模型并非在所有情況下都優于行業標準的 WAsP 模型，在平坦地形 WAsP的模擬結果要好于某些 CFD 模型。
數值天氣預報（NWP）模型
中尺度數值天氣預報模型通過質量、動量、熱量、水汽以及其他如氣溶膠等守恒方程的時間、空間積分計算預報大氣系統的演化過程，在風能開發利用中已得到廣泛應用。各種模式的守恒方程采用不同的近似方案和云物理、沉降、湍流、通量等參數化方案，不同模式的網格劃分、數值方法、初邊界條件設置、坐標系的選擇等也不相同，各有各的局限性。其近地層、邊界層、次網格參數化方案對近地層風速模擬影響較大。此外，通過方程組的坐標變換來描述復雜地形，需要對地形進行不同程度的平滑，獲得計算穩定性，對于陡峭地形，可能會出現較大計算誤差。
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導讀：
風能具有可再生、無污染而且儲量大的優勢，采用風力發電機將風能轉化成電能是現在綠色能源的重要來源之一。為了提高風力機的裝機容量，在寒冷地區(高山)安裝風力機的情況越來越多，主要原因是寒冷地區的空氣密度更高，大溫差形成的風更強，有利于風能的利用。風力機葉片表面的形狀對風能的利用效率影響很大，在高緯度或高海拔地區的冬季，空氣中的過冷水滴碰到運行的風力機葉片會引起葉片表面結冰，對風力機運轉的安全性和經濟性造成嚴重的影響。
人工為風電葉片除冰
葉片大量覆冰會造成風力機功率損失、機械故障、墜冰引發的安全隱患等問題：改變葉片的氣動性能，造成葉輪氣動、質量不平衡；升力系數下降和風能利用率降低，造成發電量的損失；阻力系數增加，導致傳動鏈軸向載荷過大；葉片質量增加，輪轂轉矩增大，影響葉根處疲勞壽命；葉片旋轉過程中容易出現冰塊脫落，發生墜落傷害等事故。
鑒于以上葉片結冰的巨大危害，所以本文通過仿真方法確定多個因素對結冰的影響，盡可能優化設計以減少結冰情況的發生。另外，通過仿真方法分析結冰厚度、結冰位置，為后續除冰提供指導依據。
1 仿真前處理
1.1 幾何模型處理
在進行數值計算之前，往往需要將數模進一步的處理，以方便而準確地得到數值解。這部分數模處理工作使用ANSYS SCDM中的建模工具完成。
風力發電葉片計算域數模
建立的數模為典型的方型遠場。
1.2 網格劃分和邊界條件
網格生成是采用計算流體力學方法對流場進行數值模擬的基礎，常用的網格分為結構網格和非結構網格兩大類。本文工作要借助通用的網格生成軟件FLUENT MESHING生成計算區域內的網格。該類型的網格尺度容易控制，對復雜外形和不規則壁面邊界的適應性強，有助于后續的流場計算結果的收斂性。
劃分網格需建立相應的遠場邊界面、地面以及葉片表面分區。
展開 2024年化學材料、清潔能源與生物技術國際學術會議(ICCMCEB2024)
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綠色金融創新
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綠色建筑標準
綠色能源投資
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投稿說明
1.本會議官方語言為英語，投稿者務必用英語撰寫論文。需要翻譯服務請聯系大會負責人許老師
2.稿件應為原創作品，未在國內外刊物上發表過, 不接受一稿多投。 作者可通過Turnitin查詢系統查重。
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Windographer是一個專業的風能數據分析軟件。它主要用于將來自風能資源評估的多種數據進行處理和分析。風能資源評估是評估特定地區的風能資源潛力和風能設施的可行性的過程。Windographer可以幫助用戶處理風速、風向、氣溫等風能數據，并通過圖形、表格和統計分析等方式展示數據結果。它可以幫助用戶對風能資源進行評估、計算風能資源的利用率，評估風能設施的發電潛力和預測發電量等。此外，Windographer還具有數據清洗和校正、風能資源分布圖繪制、時頻分析功能等，它提供了一套全面的工具，使用戶可以更好地理解和利用風能資源，為風能項目的設計和運營提供科學依據。Windographer在風能行業中得到了廣泛的應用，被眾多的風--能研究機構、風電開發商和咨詢公司所使用。它不僅提高了風,能行業的數據處理效率和分析精度，也為風能資源的科學開發和可持續利用做出了重要貢獻。
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招聘領域：
航空發動機、燃氣輪機、煤炭清潔高效利用、分布式供能與儲能、太陽能及風能利用、超強換熱、無人機、先進制造等。
需求崗位及其任職要求：
學術帶頭人
1. 具有博士學位，屬自然科學和工程技術領域，在本學科領域具有廣泛的國際學術影響力或掌握關鍵核心技術、能夠解決關鍵技術難題；
2. 具有科技領軍才能和團隊組織能力；
3. 具有在知名科研機構、高?；虼笮推髽I研發機構等擔任教授或相當崗位的任職經歷；如在海外工作的特別優秀者，可放寬至副教授或相當資歷
科研骨干
1. 具有博士學位，具有優良的科技創新潛質，可獨立開展科研工作和較強的團隊協作能力，如為研究所急需的關鍵核心技術領域，可放寬至碩士學位。
2. 具備在知名科研機構、高?；虼笮推髽I研發機構的工作經歷；
特別助理研究員
1. 獲得博士學位3年以內，應屆博士畢業生優先；
2. 恪守科研道德和學術規范，學風正派、誠實守信，具有為科技事業拼搏奉獻的精神；
3. 具有突出的創新研究成果，科技創新潛質優良；
4. 年齡原則上不超過35周歲。
科研儲備人才（正式職工）
1. 博士、碩士或應屆畢業研究生；
2. 具有突出的創新研究成果，科技創新潛質優良；
3. 身體健康，具有良好的組織協調能力和團隊合作精神；
4. 恪守科研道德和學術規范，學風正派、誠實守信，具有為科技事業拼搏奉獻的精神。
薪酬待遇支持：
支持符合條件人選申請國家海外優青項目及中國科學院人才引進項目等各類引才項目，獲得項目支持者聘為研究員崗位，并匹配一定的科研啟動經費及生活補助。
展開 風電的發展之中國風電已經在世界風電版圖中占據重要地位
風能是一種清潔的能源，人類使用風能的歷史很早，例如發明帆船利用風能進行水上航行，比較有名的就是荷蘭人利用風能改造低洼地，因此風車也成了荷蘭的象征。1888年，美國人查爾斯·布魯斯在克里夫蘭建成第一座可以發電的風力發電機。它高17米，使用了144個葉片，發電能力為12干瓦。1891年，丹麥物理學家Poul La Cour發現，葉片較少但旋轉較快的風力發電機效率高于葉片多但轉速慢的風力發電機。應用這一原理，他設計建造了一座使用4個葉片、發電能力為25干瓦的風力發電機，這成為現代風力發電的模本。隨著氣動理論及相關技術發展，也促進和推動風電技術的進一步發展和理論的成熟，歐美的科學家對風力發電機的研究也進一步深入。1941年，美國Smith公司建造了由工程師Putnam 設計的大型風力發電機（Smith-Putnam風機），這是世界上第一個MW級風力發電機，該風機葉輪直徑53米，逆風偏航設計，配有額定功率1.25MW同步發電機[1]。
上個世紀70年代，能源危機的發生進一步促進了風電產業的發展。風能作為清潔能源的一種，被廣泛接受，很多國家將其列為國家層面上的產業進行推廣和扶持。進入1980年代，大型風力發電機的商業化應用逐漸展開，并首先出現在北歐（這與該地區的其它能源相對缺乏有關，以丹麥為代表），同時各種不同概念的風機相繼出現，出現了形式多樣的產品，隨著市場的應用和競爭，水平軸三葉片風力發電機在競爭中逐漸勝出，成為了商業應用的主流，并涌現出維斯塔斯、西門子、通用等世界級的風電巨頭[2]。
我國針對風力發電課題的研究始于1950年代，1986年在山東榮成建成我國第一個并網發電的風力發電場，此后風電產業發展迅速。我國的風能資源豐富，其中兩大風帶，如“三北地區”（西北、華北、東北）以及沿海地區，陸地可利用風能資源約3億兆瓦，加上海上資源約10億兆瓦。
展開 又一“國之重器”即將誕生！
隨著工業空氣動力學的發展，風洞不僅在航空和航天工程的研究和發展中起著重要作用，在交通運輸、房屋建筑、風能利用和環境保護等方面中也得到越來越廣泛的應用。
國之重器FL-62風洞
航空工業氣動院FL-62連續式跨聲速風洞經過前期大量的設計驗證工作，于2012年獲得立項批復。FL-62風洞是國家科工局批復的單體投資最大的建設項目，是我國航空工業發展至關重要的基礎性、戰略性設施，是支撐我國先進飛行器研制的骨干型風洞，是促進國民經濟發展和國防科技創新的“國之重器”，建設這一“國之重器”是我國由航空大國邁向航空強國的必經之路。
FL-62風洞具備常規測力、測壓和進氣道試驗能力。對于常規測力試驗，可實現連續測量、模型主動振動抑制、洞壁干擾與支撐干擾實時修正。同時，針對各類飛行器研制需求規劃了氣動彈性、動力模擬、推力矢量、動態、聲學、流動顯示、多體干擾與分離等特種試驗能力。
FL-62風洞長什么樣？
FL-62風洞風洞長軸95m，短軸23m，軸線標高6m，最大直徑18m，洞體為全鋼結構。
FL-62風洞動畫效果圖
風洞具有多個可更換試驗段，可以最大程度地滿足不同類型試驗需求。
展開 擁抱綠色革命！揭秘CAE仿真技術在風電能源領域的應用
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。
圖片來源：網絡
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。
展開 通用機械行業解決方案
風電發電領域
人類歷史上很早就開始利用風能，通過風車來抽水、磨面，極大的節省了人力。進入科學技術大發展的二十世紀，人類開始利用風來產生電力，極大的擴展了風能的利用范圍。現在清潔的風電已經成為全球廣泛發展的綠色新能源中的一只重要力量，在未來擁有不可估量的發展潛力和廣闊的市場前景。
為了不斷提高風電效率，降低發電成本，人類將大量高新科技技術應用于風力發電設備，使其成為了一個技術含量非常高的產品，其研發過程充滿了挑戰。當下，風電技術正朝著大功率、高可靠性、風場大規模、海上風電、永磁、直驅、新型復合材料葉片、智能控制等方向迅速發展，其中涉及到大量專業的計算機仿真領域，為仿真的應用提供了廣闊的空間：
結構強度問題：葉片、機架、塔架強度、變形；螺栓組接觸等；塔架穩定性；地震危害分析；
結構疲勞問題：結構在變化風載下的壽命設計；設計壽命下的可靠性等；
流場分析：風場選址；葉片流型及機架外殼流線型優化；
電磁分析：電機磁場分析等。
展開 仿真科普︱擁抱綠色革命！揭秘CAE仿真技術在風電能源領域的應用
</p><h3 class="ql-align-justify"> 1.葉片設計</h3><p class="ql-align-justify"> 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。</p><h3 class="ql-align-justify"> 2.塔架和基礎設計</h3><p class="ql-align-justify"> 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<span style="background-color: rgba(18, 18, 18, 0);">材料成本，提高經濟性。
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盤式永磁同步電機的概述
風能是目前利用率較高的可再生能源之一，在風能資源豐富的中國得到了廣泛的開發利用，而風力發電技術也相應地得到了業界的高度重視，具有良好的發展前景。在風力發電系統中，盤式永磁電機可作為風力發電機，其軸向平行安裝方式能夠使得風機擁有較大的外徑，可實現低速大轉矩運行。此外，盤式永磁電機還可代替有刷變速恒頻電機或者恒速恒頻電機更好地利用資源。。
2、 電動車輛
在全球能源短缺的時期，新能源車輛，包括混合動力車輛、純電動車輛和燃料電池車輛已引起了社會各界的廣泛關注與研究。盤式永磁電機以其扁平結構、高功率密度，扭矩大、調速范圍寬、效率高等特點，作為輪轂電機，在電動汽車上得到了廣泛的應用，提高了汽車的綜合性能。
3、 船舶運輸、航空航天
在船舶和航空航天領域的推進系統中，驅動電機需要具備高輸出轉矩、高效，結構緊湊等特點，盤式永磁電機可以為船舶提供強勁的動力，提高其續航力；盤式永磁電力推進系統具有較高的運行可靠性、可維護性，較好的航速性、機動性。此外，電磁彈射器技術是目前新型航母艦上的重要裝置，其主要能量就是來自內部的盤式永磁發電機。
4、 其他行業
在家用電器、電梯驅動、石油開發和飛輪儲能等領域，盤式永磁電機同樣得到了廣泛應用，在有限的空間內為機電系統提供高輸出轉矩。綜上所述，雖然盤式永磁電機的優點突出，應用范圍廣，但是盤式永磁電機的加工工藝較為復雜，對工藝的要求比較苛刻，特別是軸向氣隙長度難以保證，在一定程度上也制約了其迅速發展。因此，就目前我國電機行業的制造水平來說，提高盤式永磁電機的制造工藝是首要的任
務。
展開 航運業的綠色轉型：氨燃料的應用與安全監測
氨NH3的類型
灰氨：使用傳統化石能源（天然氣和煤）制成，目前我國主要以灰氨為主，其生產過程中的碳排放量最大，國內氨市場需求廣闊，在綠色可持續發展政策要求下我國未來合成氨市場將持續以優化產業結構為主；
藍氨：生產原料氫由化石燃料提煉而來，但提煉過程可以捕獲并儲存二氧化碳的排放，可以減少對氣候的負面影響，被認為是一種環保材料；
綠氨：通過風能、太陽能等可再生能源發電所產生的綠電電解水產生氫氣，再由空氣中的氮氣和氫氣合成氨，綠氨全程以可再生能源為原料進行制備，可以真正做到可持續全程無碳，未來發展前景巨大。
氨作為船用燃料的優勢
隨著環保法規的日益嚴格，傳統的重油（HFO）燃料逐漸被低硫燃油（VLSFO）、LNG、LPG、甲醇等替代燃料所取代。然而，這些替代燃料仍然存在碳排放或其他環境影響問題。相比之下，氨燃料具有以下優勢：
環保效益高。氨不含碳分子，在發動機中燃燒時不會產生二氧化碳，可以顯著減少溫室氣體的排放。同時，氨來源豐富且制備技術已經非常成熟，可以利用風能和太陽能等可再生能源進行生產制備。
體積能量密度較高。在液態下，單位體積的氨燃燒產生的熱量要比氫燃料高出近50%。據悉，氨可以在1MPa左右的加壓罐中或在-34℃左右的低溫罐中儲存。這可以在保證燃料充足的同時，幫助遠洋船舶提高船體空間利用率。
運輸成本低。當氨以液態被使用時，儲存和輸送系統無需過于復雜，僅需對常規內燃機進行微小改動，改變壓縮比和更換耐腐蝕的管線即可，這大大降低了運營成本。
氨燃料的應用安全
盡管氨燃料具有顯著的環境效益，但其毒性和安全性仍然是重要的考量因素。
空氣中過量的氨氣會直接刺激人的眼睛和皮膚。其次，氨氣會通過呼吸道進入并危害人體。此外，NH3 易溶于水，人也有可能通過接觸或飲用含 NH3 的水而中毒。
展開 風力發電機組的噪聲控制
在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下，風能作為最有開發利用前景和技術最成熟的一種新能源和可再生能源之一，已成了全球能源工業關注的熱點。自二十世紀七十年代以來，風能開發和利用在歐美發達國家發展非常迅速，風力發電的技術也日趨成熟。中國國家計委于1996 年3 月制定了“乘風計劃”，以風力發電機的國產化來帶動風電場建設的產業化。該計劃旨在采取技貿結合的形式，引進國外先進技術，通過消化吸收，達到自主開發，自行設計和制造大型風力發電機的能力[1]。
風能開發能減輕空氣污染和水污染，但如果處理不當，則會增加噪聲污染。近幾年，隨著風力發電機國產化程度的不斷擴大，而我國制造業與歐美發達國家還有一定的差距，因此國產化風力發電機振動噪聲問題逐漸顯現出來。風力發電場附近居民對風力發電機組產生大噪聲煩擾的投訴、申告也越來越多，甚至威脅到風力發電機的正常國產產業化，因此，風力發電機的減振降噪控制是非常重要和必要的。本文將重點討論阻尼減振降噪技術和噪聲傳播降噪技術在風力發電機組噪聲控制中的應用。
1 噪聲源分析
風力發電機組工作過程中在風及運動部件的激勵下，葉片及機組部件產生了較大的噪聲，其噪聲源主要有：
（1）機械噪聲及結構噪聲
齒輪噪聲。嚙合的齒輪對或齒輪組，由于互撞和摩擦激起齒輪體的振動，而通過固體結構輻射齒輪噪聲。
② 軸承噪聲。由軸承內相對運動元件之間的摩擦和振動及轉動部件的不平衡或相對運動元件之間的撞擊引起振動輻射產生噪聲。
③ 周期作用力激發的噪聲。由轉動軸等旋轉機械部件產生周期作用力激發的噪聲。
④ 電機噪聲。不平衡的電磁力使電機產生電磁振動，并通過固體結構輻射電磁噪聲。
機械噪聲和結構噪聲是風力發電機組的主要噪聲源，而且對人的煩擾度最大。
展開 未來已來：這些世界頂尖電力“黑科技”將如何改變生活？
同里多能綜合互補利用系統充分利用風能、太陽能、地熱能等清潔能源，采用電力就地生產，就地消納的模式，在微電網系統內實現自發自用的能源平衡。
同里高溫相變光熱發電裝置兼具儲熱和發電兩種模式，太陽能轉化效率可達43.5%，實現了光、熱、電三種能源的靈活轉換。
在電源側，它能夠提升電網接納新能源能力；在電網側，它能夠提升電網平衡能力；在用戶側，它能夠提高用戶的供電可靠性。同時，它還能夠改善電網尖峰負荷特性，提高電網和電源整體運行效率。
壓縮空氣儲能裝置是世界首套基于液化空氣的冷熱電氣綜合利用的儲能裝置。它可以通過壓縮空氣儲存能源，起到削峰填谷的作用。同時，它還有供冷、供暖和凈化空氣的功能。
它包含有世界首套應用于實際工程、容量最大的微網路由器，是國家重點研發計劃項目，能夠實現多種電壓等級與交直流電源之間的自由變換，并迅速滿足用戶用能需求，讓用電更便捷。
它是全世界首條“三合一”電子公路，集“光伏發電、無人駕駛、無線充電”于一體。
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