1、姓名：董訓偉 時間：2010 03,ANSYS在風力機設計中的應用,一、風能簡介二、我國風能利用現(xiàn)狀三、風力機研發(fā)制造現(xiàn)狀 風力機基本原理國內外研究制造情況風力發(fā)電急需解決的關鍵技術四、ANSYS在風力機行業(yè)的解決方案五、相關企業(yè)及科研院所,提綱,,,2060年，新能源將提供50％的能源需求,世界能源發(fā)展趨勢,各種可再生能源發(fā)展趨勢,可以看出風能作為未來能源供應重要組成部分的戰(zhàn)略地位受到世

2、界各國的普遍重視。,世界能源發(fā)展趨勢,風能資源是清潔的可再生能源，風力發(fā)電是新能源中技術最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。世界上很多國家，尤其是發(fā)達國家，已充分認識到風電在調整能源結構、緩解環(huán)境污染等方面的重要性，對風電的開發(fā)給予了高度重視。近8年來，全世界風電裝機容量年平均增長率超過30%，成為發(fā)展最快的能源。,,世界能源發(fā)展趨勢,風能優(yōu)點：清潔無污染、蘊藏量大、可再生、分

3、布廣、施工周期短、投資靈活、占地 少、具有較好的經濟效益和社會效益 等,受到世界各國政府的高度重視。風能缺點：密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大等缺點 不能阻擋風能開發(fā)利用快速發(fā)展的強勁勢頭,世界能源發(fā)展趨勢,提綱,一、風能簡介二、我國風能利用現(xiàn)狀三、風力機研發(fā)制造現(xiàn)狀 風力機基本原理國內外研究制造情況風

4、力發(fā)電急需解決的關鍵技術四、ANSYS在風力機行業(yè)的解決方案五、相關企業(yè)及科研院所,我國風能利用現(xiàn)狀,開發(fā)新能源是國家能源建設實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進能源結構調整、減少環(huán)境污染、推進技術進步的重要手段。風電以其豐富的資源、良好的環(huán)境效益和逐步降低的發(fā)電成本，將成為21世紀中國重要的能源之一。,我國風能的利用現(xiàn)狀,陸地 風能儲量為2.53億kW近海 儲量7.5億kW陸地 風電年上網電量按等效滿

5、 負荷2000h計，則每年可 提供5000億kWh海上 風電年上網電量按等效滿 負荷2500h計，則每年可 提供1.8萬億kWh合計：2.3萬億kWh(相當于05年全國的用電量),儲量豐富,我國風能的利用現(xiàn)狀,我國風能的利用現(xiàn)狀,我國風能市場的繁榮超過了預期，創(chuàng)造了又一個記錄。據(jù)全球風能委員會統(tǒng)計，全球風電裝機再創(chuàng)紀錄，我國的風電開發(fā)也達到了一個新的高度：,我國風能

6、的利用現(xiàn)狀,我國風能的利用現(xiàn)狀,發(fā)展迅速，建設規(guī)模不斷擴大國家及政府有關部門重視和支持風力發(fā)電專業(yè)隊伍和國產化水平逐漸提高,我國風能的利用現(xiàn)狀,風力發(fā)電存在的問題,對風能資源勘察不夠全面風電設備和制造技術落后風電成本高政策扶持力度不夠,提綱,一、世界能源發(fā)展趨勢二、我國風能利用現(xiàn)狀三、風力機研發(fā)制造現(xiàn)狀 風力機基本原理國內外研究制造情況風力發(fā)電急需解決的關鍵技術四、ANSYS在風力機行業(yè)的解決方案五、相關

7、企業(yè)及科研院所,風力機的分類,,H型,垂直軸風力機,Ф型,,水平軸風力機,風力機的分類,太陽能熱氣流發(fā)電的例子,該裝置的主體部分是一個高達1000米的管道塔，底部塔身寬130米。塔身周圍是方圓7公里的溫室組成，溫室中裝有保溫材料。溫室中的保溫材料是夜間為空氣保溫而安裝的。地面空氣因為受到太陽光的照射變熱后，被吸入塔中管道中。熱空氣沿著管道上升，帶動管道內安裝的渦輪發(fā)電機，電能就產生了。,澳大利亞建造了一座高1000米的熱氣流發(fā)電裝置,風

8、力發(fā)電基本原理 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本構成,,風力發(fā)電基本原理,三種能量形式的轉換：,追求的目標：? 在風速和風向不斷變化的情況下如何獲得最大的風能利用率 和轉換效率.? 在風力機轉速變化不定的情況下如何獲得頻率和電壓穩(wěn)定的 交流電能 所涉及的學科： 涉及空氣動力、機械、電機、電力、電力電子、自動控制、通訊、計算機與化工防腐等多學科交叉的復雜科學問題。,提綱,一、世界能源發(fā)展趨勢二

9、、我國風能利用現(xiàn)狀三、風力機研發(fā)制造現(xiàn)狀 風力機基本原理國內外研究制造情況風力發(fā)電急需解決的關鍵技術四、ANSYS在風力機行業(yè)的解決方案五、相關企業(yè)及科研院所,國內研究制造情況,代表單位: 保定中航惠騰風電設備有限公司 生產產品: 600KW、750KW風力機葉片 產量: 年產600KW葉片200套 技術來源: 引進存在的問題: 沒有設計能

10、力,研發(fā)力量不足,產品品 種單一,制造工藝、產品質量仍需提高.,葉片設計制造,國內研究制造情況,蘭州電機廠 是目前風力機配套發(fā)電機的主要生產廠家, 并在兆瓦級風力機配套發(fā)電機的研發(fā)方面走在國內前列 山西永濟電機廠 是目前風力機配套發(fā)電機的主要生產廠家之一,

11、 但缺少兆瓦級風力機配套發(fā)電機研發(fā)工作。,發(fā)電機設計制造,國內研究制造情況,國內目前中科院電工研究所在風力機的控制系統(tǒng)方面,做了大量的工作.但最大控制功率不超過750KW 。蘭州電機廠正在與清華大學合作研究1兆瓦以上發(fā)電機的控制技術,目前該技術還未進入實用階段。目前國內比較可靠的控制技術基本上采用德國西門子公司和ABB公司的技術。,風力機控制系統(tǒng),國內研究制造情況,新疆金風科技有限公司 主導產品: 600K

12、W、750KW系列機組;正在消化 1.2MW直驅機組 特點: 以成套組裝為主,所有零部件全部依靠外協(xié),在 全國設有4個總裝廠 (新疆、河北隆化、溫州 廣東惠來)，市場運作能力較強存在的問題: 研發(fā)力量不足浙江運達風力發(fā)電工程有

13、限公司 主導產品: 200KW、250KW和750KW系列機組 生產特點: 以引進、消化為主存在的問題: 研發(fā)力量不足,整機,國外研究制造狀況,國外風力機研制的特點在于其有很強的試驗手段和制造手段。 目前國外在大型風力機的研制方面走在前列的幾家代表性公司是: 德國NODEX公司 最大生產3.75 MW (海面) 德國GE公司

14、 最大生產3.6 MW (海面) 丹麥Vestas公司 最大生產4.5 MW (海面) 西班牙Gamesa公司 最大生產2.0 MW (海面),風輪是風力發(fā)電設備的核心部件之一 ,國內還沒有完全掌握大功率風輪的核心設計和制造技術 目前大功率風力機主要依賴進口或與國外合作生產大功率風力機控制系統(tǒng)主要依賴進口引進國外成套機組較多,引進技術較少, 消化吸收不足

15、基礎研究與積累極缺,研發(fā)力量不足,國內風能利用存在的問題,國內外研制的狀況對比，可以看出：,提綱,一、世界能源發(fā)展趨勢二、我國風能利用現(xiàn)狀三、風力機研發(fā)制造現(xiàn)狀 風力機基本原理國內外研究制造情況風力發(fā)電急需解決的關鍵技術四、ANSYS在風力機行業(yè)的解決方案五、相關企業(yè)及科研院所,現(xiàn)代大型風力機設計是一個涉及面廣泛的系統(tǒng)工程，而其中的核心問題是氣動設計技術。 氣動設計已不僅僅與風力機性能的考慮相關，還必須考

16、慮整機的結構布局和結構動力學問題、系統(tǒng)可靠性問題 氣動設計的最大難題是風速與風向的不穩(wěn)定性和隨機性，槳葉經常運行在失速工況，使得傳動系統(tǒng)的動力輸入異常不規(guī)則，疲勞負載高于通常旋轉機械幾十倍 對于這種強隨機性氣動系統(tǒng)，目前還存在一些制約自主研發(fā)能力的基礎科學問題亟待解決。,風力發(fā)電急需解決的關鍵技術,風機葉片是風電機組最關鍵的核心部件，它直接影響著整個機組的性能和成本，風機葉片占整機成本的20%～30%左右,風力發(fā)電

17、急需解決的關鍵技術,兆瓦級風力機的維護成本,浙江蒼南風電場,浙江鶴頂山風電場,,風力機的氣動模型 葉片優(yōu)化設計及氣動力計算 定常/非定常工況下的尾流、失速問題及其計算 流固耦合及疲勞壽命計算 高強度、輕質復合材料及其制備技術 風力機組的運行與優(yōu)化控制技術 風力機的并網技術及其遠程控制,風力發(fā)電急需解決的關鍵技術,提綱,一、世界能源發(fā)展趨勢二、我國風能利用現(xiàn)狀三、風力機研發(fā)制造現(xiàn)狀 風力機基本原理國內外

18、研究制造情況風力發(fā)電急需解決的關鍵技術四、ANSYS在風力機行業(yè)的解決方案五、相關企業(yè)及科研院所,風電中CAE的使用,Blade design and performance,,Rotor sizing and acoustics,,Site selection, land and sea,,Tower design and FSI,,Generator and shaft design,,,,Wind farm config

19、uration for optimal power generation,風電中CAE的使用,Blade design and performance,,Rotor sizing and acoustics,,Site selection, land and sea,,Tower design and FSI,,Generator and shaft design,,,,Wind farm configuration for optim

20、al power generation,氣動設計 推力系數(shù), CT 葉片的結構完整性: 載荷和疲勞噪聲,葉片設計,挑戰(zhàn)在給定風速和分布下的氣動效率復雜復合材料構件的結構完整性噪音最小化降低高度又能保證最大推力,使用CAE的益處在預研中使用虛擬樣機代替風洞和全尺寸試驗自動完成不同試驗條件和風速條件下的設計降低設計成本,Photo © José Luis Gutiérrez, gra

21、phic courtesy of IMPSA S.A., Argentina,風電中CAE的使用,Blade design and performance,,Rotor sizing and acoustics,,Site selection, land and sea,,Tower design and FSI,,Generator and shaft design,,,,Wind farm configuration for opt

22、imal power generation,,,,,結構設計 塔架和轉子結構完整性和安全性能量轉化效率, η安裝和保養(yǎng)費用,結構設計,挑戰(zhàn)結構的穩(wěn)定性分析風-轉子誘導的震動地震安全和風險預測發(fā)電機熱載荷,使用CAE益處在制造前評估產品的模態(tài)行為和非線性結構特性獲得并理解設計過程中結構間的流固耦合,Photo © Michael Utech,風電中CAE的使用,Blade design and performa

23、nce,,Rotor sizing and acoustics,,Site selection, land and sea,,Tower design and FSI,,Generator and shaft design,,,,Wind farm configuration for optimal power generation,位置選擇和規(guī)劃 方案潛能最大化功率輸出: 最大值和平均值風載: ultimate and fati

24、gueLogistics,,,風力機位置選擇,挑戰(zhàn)風力機的位置選擇以及其效率的最大化陡峭地形近海區(qū)安置變化的風速和風向下風力機之間的陰影效應功率輸出的預測,使用CAE益處優(yōu)化風力機功率輸出和安置位置復雜地形中風速的預測預測不同風速的風向下功率輸出,Wind velocities over complex terrain for a proposed wind farm,Wind velocity contours sh

25、owing the wake effect of one turbine on another,風電機組仿真分析,機械結構分析整體、零部件、連接部件等強度、振動、穩(wěn)定性、疲勞等運動系統(tǒng)（如運動系統(tǒng)）的運動模擬流體分析模擬風場和風力機安置點風輪氣動性能分析氣動外形及風輪總體參數(shù)設計耦合場分析流固耦合（如葉片）電磁分析電氣系統(tǒng)（如電機）的模擬控制系統(tǒng)的模擬防雷模擬,ANSYS在風力機行業(yè)的解決方案,Mechanic

26、al 結構力學就算，涵蓋線性、非線性、靜力、動力、疲勞、復合材料、優(yōu)化設計、概率設計、結構熱結構耦合等機械分析中幾乎所有功能。ANSYS CFX 、 FLUENT 可以對地貌風場，塔架及尾流流場、覆冰、葉片 顫振、失速、風力機氣動特性等進行準確的數(shù)值模擬 BladeModeler 進行葉

27、片型線設計 TurboGrid 針對葉輪自動化生成高質量網格 CFX-Turbo 對設計好的葉型及整個葉輪進行氣動性能分析CFX+ANSYS 獨特的流固耦合技術為氣動、氣彈提供雙向的數(shù)值模擬,風電機組仿真分析－技術要點,,,,葉片結構及工藝 強度與變形 振動模態(tài) 螺栓連接強度 疲勞,復合材料葉片,,,,,,復合材料葉片模型建立,,,,結構形式,傳力形式,有限元模型,,風電機組仿真分析－技術要點,,輪

28、轂（含主軸）,,,輪轂強度 輪轂疲勞壽命 輪轂與主軸連接強度 …,,,,30%,55%,,,輪轂強度,,,輪轂與主軸的連接強度,,,輪轂壽命評估,,,,計算域,載荷及位移定義位置及方式,,,,計算域,有限元模型,載荷及位移定義位置及方式,,螺栓定義/軸承模擬/網格處理,,,,計算域,有限元模型,載荷及位移定義位置及方式,疲勞載荷譜,有限元模型,風電機組仿真分析－技術要點,,,主機架的極限強度及變形,,機艙結構,,,主機架強度及變

29、形 主機架與電機、偏航等的連接 振動特性，如諧振 疲勞壽命,,,,,,,計算域,有限元模型,加載及約束,風電機組仿真分析－技術要點,,,塔架的屈曲穩(wěn)定性分析,,塔架,,,強度及變形 振動模態(tài) 屈曲穩(wěn)定性 連接(螺栓，焊接)強度 疲勞壽命,,,,,,,計算域,有限元網格,特征值屈曲計算,有門框和無門框,風電機組仿真分析－實例展示,風電機組機艙底座,風電機組塔架,風電機組仿真分析－實例展示,風電機組齒輪箱箱體,風電機組齒輪箱行

30、星架,瑞士Crosin山脈,輸出功率是風速三次方函數(shù)評估發(fā)電潛能測量方法至少一年（季節(jié)）東西兩側風場地形范圍細節(jié),“Use of the numerical approach certainly helped us in making the right business decision.”,ANSYS CFD地貌風場分析實例,地貌風場速度矢量,ANSYS CFX地貌風場分析實例,ANSYS CFX地貌風場分析實例,地貌風

31、場速度矢量,風輪葉片設計及仿真分析,ANSYS CFX風機氣動分析實例,氣動分析結果,風力機葉片壓力面、吸力面壓力分布,Z=0截面風場壓力分布,過軸線的風場壓力分布,過軸線速度場云圖,過軸線的速度場矢量圖,氣動分析結果（尾渦）,理論,計算,ANSYS+CFX風力機結構分析實例,ANSYS+CFX風力機結構分析實例,太陽能電池板風載分析,風載作用下結構變形和應力分布,自通風電機冷卻分析,模擬的軸向自通風方式的電機冷卻，綜合考慮了轉子和定子