拥抱绿色革命！揭秘CAE仿真技术在风电能源领域的应用

神工坊（高性能仿真） 3月28日浏览：961

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。政府工作报告提到，过去一年可再生能源发电装机规模历史性超过火电，全年新增装机超过全球一半。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。

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：

图片来源：《中国碳中和目标下的风光技术展望》

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。

图片来源：《中国碳中和目标下的风光技术展望》

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]

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。

01 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。

02 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]

神工坊在风电行业的应用案例

为满足风电机组大规模并行的仿真需求，神工坊推出仿真软件并行架构升级服务。通过高性能改造，能够让软件适配国产超级计算机发挥出极限性能，基于高性能数值模拟框架，可以低代码开发的同时高效实现物理模型和求解器，从而快速转化为软件工具。

01基于swOpenFOAM的某智慧风场平台

某风电整机领域的头部企业，为实现对风场风机发电量的实时精准评估，对风资源分析的分辨率提出了极高的要求，并需要开展大规模的仿真分析。然而，现有的硬件和软件资源无法满足现场高效运作的需求。

基于神工坊平台，该企业成功完成了仿真求解模块的高性能改造及部署，整体性能得到显著提升，提升了4.2倍 。这一重要改进为风资源工程师提供了强大的支持，使他们能够顺利完成超过2000个 风资源项目的设计和评估任务。

此外，该企业还依托超算平台，自主研发了风功率预报系统——孔明。该系统已正式发布并推广，凭借其卓越的性能和实用性，已成为行业内的标杆应用。

swOpenFOAM

swOpenFOAM是国家超级计算无锡中心“神工坊”团队对OpenFOAM进行深度移植优化形成的一款可以在国产“神威·太湖之光”超级计算机上进行大规模多级并行计算的通用CFD软件。我们对OpenFOAM的多个核心计算模块进行了从核加速，覆盖通量计算和代数求解，涉及大量计算热点，热点最高加速15倍。

延伸阅读：神威OpenFOAM——最流行的开源CFD软件与神威·太湖之光的珠联璧合

02风电场建模仿真

风力机在风场运行时需要根据风机受力和功率情况进行变桨、偏航等控制调整，以获取最佳风能利用率，避免出现超载。同时在风机阵列情况下，复杂地形对流场影响也比较大，因此机阵列中每台风机的受力和功率分析是风机控制中的重要环节，但国内暂无一款能够考虑地形影响因素，进行风电场阵列风机的CFD仿真工具。

经过精心设计与开发，神工坊构建了一个基于开源仿真求解器的风电场阵列风机功率快速预测应用，并针对国家电网某实际风电场进行建模验证。该应用作为风电场数字孪生项目的重要子课题，入选国家电网促进“双碳目标”重要展示应用。

此外，神工坊精心推出一站式高性能工业仿真平台，平台集成了OpenRadioss、HyperMesh等风电行业常用CAE软件，用户通过web端即可享受“PC式高性能体验”，使用超算硬件资源和海量软件资源开展风电设备设计仿真工作，高效快速地进行产品创新和技术研究。在云端实现前处理-求解-后处理全流程作业，以及企业组织管理和研发协同。