仿真科普︱拥抱绿色革命！揭秘CAE仿真技术在风电能源领域的应用

 

    众所周知，风能是清洁能源的代表，而风电更是其核心。伴随着全球电力需求的日益增长以及环保节能意识的逐渐加强，加强生态文明建设，推进绿色低碳发展，已成为当今社会的共识。2024年，政府将加强大型光伏基地和外送通道建设，推动分布式能源开发利用，促进绿电使用，确保经济社会发展用能需求。

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    发展新质生产力已成为国家级战略，站在新起点上，风电能源行业迎来新的历史机遇。CAE仿真技术在行业发展中发挥着越来越重要的作用。

  01 风电行业的“卡脖子”技术

    风力发电涉及多个学科领域的交叉，如空气动力学、机械设计制造、电气工程、自动化控制、材料科学以及海洋工程等。经过三十余年的持续发展，当前我国陆上风电技术已经发展至相对成熟的阶段，并具备一定市场规模。然而，相对于陆上风电，海上风电技术的发展尚处于初期应用阶段。当前，近海风电技术与深远海风电技术在发展进程上存在差异。近海风电技术已经逐渐展现出其竞争力，而深远海风电技术刚刚进入市场，但尚未形成明显的优势。

图片来源：《中国碳中和目标下的风光技术展望》

    此外，仍有一些技术瓶颈有待解决，风能产业链部分环节对国外依赖度比较高，主要包括风资源分析、风电机组整机设计仿真等工程仿真软件 ，关键轴承、变流器、控制器中的关键电子器件，碳纤维、巴沙木、润滑剂等关键材料等。其中较为突出的有几个方面：

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    在风能领域，风电机组整机设计仿真软件、有限元分析软件、CAD软件、数值计算软件以及风电场开发设计等仿真软件的应用，高度依赖于国外企业。 目前国内已开展相关软件研究，但尚未达到商业软件层面。

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    另一方面，随着风电机组单机额定容量的不断提升，叶片尺寸也在逐步增大。这导致超长叶片产品的轻量化、可靠性、安全性、效率和经济性等方面的问题愈发突出。然而，我国仍主要依赖国外的叶片设计技术，对于大型柔性叶片的气弹稳定性机理缺乏深入的理解，同时缺乏基于气弹耦合效应的高效、低载、轻量化设计技术。 [1]

  02 CAE技术在风电机组设计中的应用

    风电机组作为高技术密集型产品，是风电技术的核心，其性能直接影响到风电场的发电效率和经济效益，在设计过程中涉及到力学、自动控制、机械设计、电机学等多门学科，是一个及其复杂的系统工程。目前，在风电机组的设计中广泛使用CAE仿真技术，实现全三维数字设计和整机特性的有限元分析。

  1.叶片设计

    风轮叶片是风电机组的关键部件，其气动性能直接影响到风能转换效率。通过CAE技术，工程师可以进行叶片的气动外形设计、结构优化和强度分析。利用计算流体动力学模拟叶片周围的流场，优化叶片的气动性能，提高风能捕获效率。同时，通过有限元分析确保叶片在各种工况下的结构安全性。

  2.塔架和基础设计

    风电机组的塔架和基础需要承受复杂的载荷，包括风载、重力载和动态响应等。CAE技术可以对塔架和基础进行静力学和动力学分析，评估其在各种工况下的稳定性和安全性。此外，通过优化设计，可以减轻塔架重量，降低材料成本，提高经济性。

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    除此以外，CAE技术在整机部件设计中的应用还包括以下几部分：

    （1）疲劳强度分析。疲劳失效是风电机组最主要的失效形式，在设计阶段可根据仿真计算得到的模拟载荷谱，或现场测试得到的实际载荷谱，使用专用的多轴疲劳分析软件，对各主要部件进行疲劳强度分析，保证设计的可靠性。

    （2）螺栓连接分析。螺栓连接是风电机组最主要的连接形式，如叶片与轮毂、主轴与轮毂、轴承座与主机架、各节塔架之间都是通过高强螺栓进行连接。必须对各螺栓连接的极限强度和疲劳强度进行校核，保证各连接的可靠性。

    （3）振动模态分析。由于叶片、塔架、主传动链之间的相互耦合，机组极易在运行过程中发生共振，造成振动过大停机故障甚至发生损坏。因此必须在设计过程中对各部件及整机进行模态分析，使各部件具有合理的模态频率，保证机组的平稳运行。[2]

参考文献

[1] 中国碳中和目标下的风光技术展望.清华大学碳中和研究院、清华大学环境学院,2024

[2] CAE技术在风电机组设计中的应用[J].高俊云.风能,2014