仿真技术和公共服务平台在风力发电产业中的作用

作者：陆仲绩 沈跃栋

欢迎访问e展厅 展厅 2 中小型发电机展厅 柴油发电机组, 汽油发电机, 燃气发电机组, 移动电站, ... 摘要：本文从发展风电技术要求出发，希望能构筑一个“虚拟设计”研发平台，而应用CAE技术是一种很好的选择。上海CAE技术公共服务平台的建立是向社会提供一个开放高效的科技创新创业的服务和保障渠道，目的是提高企业的市场竞争能力和优化创新资源，做到资源共享，运用CAE技术方法加快我国风电技术的发展。 0 引言 风力发电装置最关键、最核心的部分是转子叶片，叶片的设计和采用的材料决定风力发电装置的性能和功率；风力发电的设备被架在一根细长柱子上，顶部所承受的重量影响了设备的可靠性和安全性；受海风和海浪袭击的近海如何找到塔和塔固定承受能力的最佳方案。这些都是人们所需要解决的问题。 人们在探求一种方法，希望能构筑一种“虚拟设计”研发平台，在研制新的大型生产设备时，不必真的把设备造出来，只要在计算机里进行模拟就可以发现不足、及时修正。人们越发感到：产品如何画出来、看得到并不重要，重要的是知道产品性能如何，产品使用寿命周期如何。 计算机辅助工程（Computer Aided Engineering — CAE ）就是一种迅速发展的虚拟设计和分析技术。作为创新设计的重要手段，CAE技术已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中也已作为必备工具普遍应用。 从应用推广层面考虑CAE技术，不可避免地要考虑到公共服务的问题。只有建立了与CAE技术相关的公共服务体系，人们才可能通过这个体系寻找到与CAE相关的符合行业特征的技术服务及其合作，从而使CAE被社会认可并普及；考虑到CAE的虚拟模拟技术正在成为与理论研究和物理实验同等重要的研究手段，有必要在扶植具有自主知识创新技术的CAE软件发展过程中，培育、推广应用，使其具有社会的认同和发展空间。 1．风力发电产业需要创新技术 风能是目前可实现大规模产业化开发的可再生能源，风电有较强市场竞争力。近年来，世界风电装机以年平均30％以上的速度高速发展，技术日渐成熟、单机容量不断增加、发电成本不断下降。到2002年底全球装机容量达到3200万千瓦，西方发达国家的发展动机是：①承诺二氧化碳的减排义务；②占领未来能源技术的领先地位，并形成新型产业。我国经十多年的发展，2004年底装机容量68万千瓦，年发电量10多亿kWh。尽管我国已掌握750千瓦风电机组的制造能力，具备了生产600、750千瓦机组的能力，但所需兆瓦级风力发电设备完全依赖进口。 《京都议定书》生效为风电发展创造了良好的国际环境，《中华人民共和国可再生能源法》的颁布为我国风电发展提供了有力的法律保障。 根据全国新能源发展规划目标，到2020年新增7亿千瓦发电装机，发电装机总容量达11亿千瓦左右，其中：风电装机达2000万千瓦，占总装机的2％左右。具体项目有在全国范围内重点开发几十个10－20万千瓦风电场，其中包括崇明和南汇二个10万千瓦风电场；还要建6个100万千瓦级超大型风能基地。发展海上风电已成为世界风电发展的一个显著特点，我国近海风能资源丰富，海上风电场开发潜力巨大，这将构成国内对2兆瓦级超大型风力发电设备很大的需求，估计我国东部沿海的离岸风能资源达7.5亿千瓦，比陆上风能资源2.53亿千瓦高出2倍。东部沿海地区经济比较发达，电力需求量大，沿海丰富的风能资源与电力负荷中心很近，具备发展海上风电的巨大潜力。我国西北、华北、东北陆上风能资源丰富，开发前景广阔。 CAE技术是制造业创新设计的核心技术。在发达国家各类型、各规模、各行业的制造业企业中已广泛应用，是必不可少的创新设计与制造技术。在风力发电的产业化过程中，人们已经在利用CAE技术进行研究。 1.1 转子叶片的空气动力学：人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机，航空技术的发展推动了流体力学的迅速发展。流体运动的规律由一组控制方程描述。计算机没有发明前，流体力学家在对方程经过大量简化后能够得到一些线形问题解析解。但实际的流动问题大都是复杂的强非线形问题，无法求得精确的解析解。计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力学这门交叉学科。目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CAE进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。因此利用CAE技术对叶片的失速和偏航流动进行模拟仿真可以了解其有效的特性作用； 1.2 风力发电机尺寸的增长：兆瓦级风力机的结构和材料与千瓦级的风力机有很大的不同，因此以往所知的经验因子、安全边界和材料强度都将不同。CAE技术帮助人们进行结构强度计算、变形计算及优化设计，在设计阶段就发现设计问题，减少进行设计/试制/返工的循环次数，缩短产品开发的时间、降低产品开发的成本； 1.3 气动弹性稳定性：叶片的摆振在大叶片中已经引起过大问题。随着风力发电机尺寸的不断增大,其气动弹性不稳定性也变得越来越重要。叶片的频率随尺寸的增加而下降。随着叶片尺寸的增大，结构本身提供的阻尼下降，就增加了气动弹性问题的危险性。同时,结构阻尼是叶片本身结构所确定的。所以当上述两个自然频率彼此接近，而结构阻尼下降，则是很危险的。在这里需要考虑在叶片气动弹性效应的前提下，克服颤振—抖振耦合分析中传统方法难以逾越的计算困难，利用随机振动虚拟激励算法实现三维叶片结构设计颤振—抖振耦合分析。 2．整合资源实现共享机制 建立CAE技术公共服务平台，不仅可以充分地为中小企业提高科技创新能力提供服务，降低创新创业的成本与风险，解决公共产品和私人产品之间的矛盾，提升研究开发和产业化的能级和水平，进一步提高科技创新资源的使用效率，建立完整的孵化培育体系；更主要的是推动了政府管理模式的根本转变，由完全靠政府扶持模式逐步向市场化运作模式过渡，从而减少对政府财政的依赖，真正培育创业的市场。 上海CAE技术公共服务平台的建立是向社会提供一个开放高效的科技创新创业的服务和保障渠道，目的是提高企业的市场竞争能力和优化创新资源。 依托上海乃至全国优越的学科条件、雄厚的技术基础、高水平的研发队伍、自主版权的软件产品、制造业重点企业的技术需求与研发合作、以及同国内外著名软件厂商的合作关系;面向中小企业，普及CAE应用和提高竞争能力；结合国家重大项目，进行CAE理论和实践的研究，提供CAE分析、设计、检测、测试、标准化等专业技术服务水平。 2.1 实现基础条件资源共享 开展CAE技术的基础条件是价格很高的软硬件设备，中小企业难以承担如此投入。虽然目前各类CAE软件在上海的销售量投入每年仍以高于30%的速度递增，但现有的软件分布缺乏整体规划和统一布局，资源分散，不为社会共享，无法形成集成优势。平台的建立是为促进资源的集中和联合共享搭建一个舞台，目的是帮助企业能尽快使用上CAE技术，以提高科技创新资源的使用效率。 2.2 实现技术人才资源共享 行业竞争的力度在增加，研究的广度和深度在增加，创新的难度和继承度也在提高，需要通过多个部门的配合、在专业化支撑的基础上完成。企业人员流动频繁和缺乏行业背景的专业人才支撑，无法满足企业在研究开发、成果转化、企业创新创业等各个环节的需要。平台的建立是充分发挥优秀CAE人才的才华，组成行业CAE人才群体。通过优化政策环境、把企业需求和人的才华结合起来，以制度建设和体制创新为突破口，完善人才的竞争、激励和选拔机制，大力吸引和集聚各类优秀人才。 2.3 实现创新技术资源共享 CAE技术作为现代设计流程中的核心，已经成为现代制造业提高技术信息化竞争力的主要手段。随着对CAE认识，普及和推广显得格外重要。 平台以培训结合考核的方式加强软件培训和CAE能力培训，使CAE技术成为工程师职业资格的组成部分,以此促进中小企业应用CAE技术的能力和行业应用的水平的提高. 平台将面向企业、面向社会、面向市场,以CAE技术工程咨询的方式对国家重大工程及中小企业有代表性的产品进行深入研究、分析，提出解决关键技术和共性技术的建议。通过加强本地科技资源的匹配，整合协调各方力量，为国家战略和项目的实施提供强有力的支持，促进上海经济和社会可持续发展。 2.4 实现社会信息资源共享 平台通过技术交流，集聚一批CAE理论研究的学者和应用推广的专家，举办各类大型CAE技术研讨会，形成有影响CAE论坛；高起点推广应用和建设具有自主知识产权的CAE软件平台，整合国内CAD/CAE/CAM软件，形成有竞争能力的技术信息化解决方案的软件平台。平台的建立可创建鼓励原创性的自由探索研究，创造良好的创新氛围。对上海有明显优势的传统制造装备链的应用示范，构筑一个较为完整研究技术信息化发展基地。 平台对上述资源进行汇总，形成严格权威的窗口，对外发布信息和提供服务，为从事先进装备和工业产品设计制造的企业和个人提供专业服务，成为以信息化推动工业化的有力武器。 3. 政策指导下的创新技术服务 要实现经济快速平稳发展，必须从政策上、资金上支持中小企业进行创新，要让企业成为技术创新的主力军。技术创新不是一个人、一个企业、一所大学的技术创新，而是很多主体都在创新，互相依赖、互相支撑，也互相制约，形成了一个整体，一个网络。这就要求我们整合创新要素所构成的社会网络，在政府层次上推动创新、提升竞争力，建立相应的组织和运作机制，建设国家创新体系，扶持企业等创新主体的创新活动。 平台按照“软硬件设备共享+工程咨询服务+人才培训配套+行业解决方案”的模式开展工作，成为企业产品“虚拟设计”的平台；行业技术“难点攻关”的平台；技术人员“成长壮大”的平台；企业发展“良师益友”的平台。 风电市场的形成需要相关创新技术的支持，针对风电产业的特点，在借鉴其他国家先进技术的同时，形成具有特色的内容和关键技术： 3.1 沿海风电技术要求：既要承受更强的风载荷，还要抵抗海洋环境的盐雾腐蚀。由于交通和吊装条件的限制，要求机组故障率低、可靠性高； 3.2 “三北”地区风电技术要求：能耐低温，最低运行气温在-20～-30度。应考虑对齿轮箱油、控制柜、机舱进行加热，叶片也应采用低温型的，润滑油等要注重低温特性。能耐沙尘，油抵御沙尘暴的能力，机组应提高密封性能，增强叶片耐磨耐冲击能力。 3.3 需要解决的关键技术 1) 叶片： 气动外形设计----解决风轮叶片剖面弦长、相对厚度和扭角沿展向的变化，使风轮性能达到风机设计条件； 复合材料的研究和应用； 2) 变桨系统： 解决独立变桨系统驱动机构的设计、研制和可靠性； 解决在停机风速和极限风速之间的叶片顺桨控制机构的设计、研制； 3) 变速恒频： 解决大型风机上网的柔性联结，提高供电质量； 解决风能利用系数Cp在很大的风速变化范围内均能保持最佳值。 4) 控制系统： 解决双馈电机并网问题； 优化双馈电机随风况变化的转速控制、输出功率控制和无功功率控制； 5) 整体设计：在保证风机可靠运行的前提下，实现单位千瓦重量最小化； 外形美观 4. 结束语 优先发展先进制造业和建立全方位开放公共服务平台是上海实施科教兴市战略的重要举措。因此必须尽快汇聚各方力量，形成声势浩大、千军万马推进科教兴市的局面；依托平台服务，有效整合社会资源，建立满足创新需要的社会化公共设施；实施项目跟踪，结合先进制造业的重大产业攻关，培育经济新增长点；联合多方力量，选择一流项目，集中一流科研团队，建设一批经济效益明显、带动作用强的重大产业项目，构建新型产业体系。 让我们共同抓住新一轮国际制造业转移和我国工业化、城市化加速发展的历史机遇，构建跨地区服务平台、高度互融、携手共进，谋求优势互补的新篇章。(end)

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