大唐可再生能源试验研究院副总工高伟：整机商目前未必支持10兆瓦、15兆瓦大型设计

2018年10月17日-19日，2018北京国际风能大会暨展览会（CWP 2018）在北京新国展隆重召开。本次大会由中国可再生能源学会风能专业委员会、中国循环经济协会可再生能源专业委员会、全球风能理事会、中国农业机械工业协会风力机械分会、国家可再生能源中心和中国电子信息产业发展研究院（赛迪集团）六大权威机构联合主办。

大唐可再生能源试验研究院有限公司副总工程师高伟在“风电机组大型化技术论坛”中发表主旨演讲。

他在演讲中表示，未来风电4个发展方向，大型化、智能化、海工化、储能化。

将来高塔或大叶片，肯定就像飞机一样以摔一批机组为代价，而这就涉及到国内整机商的方法论问题。目前整机商的方法论是一致的，基本上到边了，理论不是无限放大的，可能支持两兆瓦、三兆瓦、五兆瓦设计，未必能够支持十兆瓦、十五兆瓦的设计。在海上风电发展过程中，真正往深海走要有新的设计方法论，也即飘浮式的方法论。

以下为发言实录：

高伟：各位嘉宾，各位朋友，我先刷一个小广告，我们大唐集团是今年成立的，我们知道现在是搞比较大的改革，我们是由原来的研究院是负责我们大唐这一块，现在目前为止包括风电、光伏、光热包括其他的一些研究。

我的报告分成两部分，一部分是理论研究，一部分是验证。我简单介绍一下我个人，我原来是学校的老师，2013年的时候到了华创，从研发工程师最后做到总工，我自己本人从2兆瓦到10兆瓦直驱和半直驱，今天这个时点比较敏感，今天玩一点纸上谈兵的事情。

我个人判断未来风电4个方向，大型化、智能化、海工化、储能化。今年实际上是全世界第一个实验性的是2009年的时候，挪威的，今天已经做了一个商业化的项目，5兆瓦的飘浮机组成的，当时我们都是做科技组织的，现在每个千瓦应该是47000，还有一些说在未来三年之内有望可以把成本降低75%，假设风电发电好一点的话，将来真的是具备很具有发展前景，因为我们知道第一个是从全球来看，毕竟全世界水比陆地多第二个中国资源禀赋决定了发电是在遥远的西部，用电负荷在东部，为了满足这个必须采用远距离输送，如果在东部采用就可以缓解远侧和用户侧相互之间壁垒的问题。

其实海上风机是风险非常非常高的，特别是整机制造企业，为什么西门子是分5个阶段，我们中国市场发展比较快，我知道华创直接是下海的，所以说问题就很多。然后工程设计流程整机是整机的，设计院是设计院的，这样的话问题就很多。

所以后来（英文）提出了一体化设计思维，把环境作为一个矩阵放到模型，实际上相当于把基础和其他的基础放在一起作为一体化设计，这就是传统的设计。实际上本质是解决这样一个方程，再下面现在目前为止近海的应该是30米以上采取的设计思路，但是实际上飘浮式这套方法论就行不通了，大概世界上你要真正往深海走的话要有新的设计方法论，就是飘浮式的方法论，全世界第一个提出飘浮式风机是麻省大学的，他1972年论文提出来的，当时提了很多种。论文我看过4、5种，比较有代表性是前面这两个，等着到1993年的时候，英国实际上是一个能源匮乏的国家，组织了一个海上飘浮式风电机，基本上摆脱纸上谈兵的（英文），这是（英文）文章，大家可以看一下，那个实际上包括意大利的学者他们也做了研究，其实真正开始做的就是下面这几个，2007年、2009年，大概整个从理论到商用这么一个过程。

我个人把这个问题分成三个部分，一个是结构耦合，一个是水动力耦合，还有一个流耦合，说白了要解下面这个方程，这个是根本解不开的，我们当时做了一些条件，考虑时间关系我不细说了。

其中第一部分就是气动，翼型气动是边界层耦合算数，所有的研究都用这个方程，实际上到目前为止翼型气动研究以后还没有用到CFD五计算方法，咱们现在做翼形也就是这个水平上。虽然我们搞风机很久，但是现在用这套软件就用（英文）动态入流，搞直升机的知道，实际上是（英文）修正以后，实际上是一个华人，1983年的时候做了一篇论文，后来是一个日本人写了一个程序，还有一些理论，包括我们现在南航的王通光（音）老师做了一个，博士论文提出了一个，实际上海上风力机有一个问题，它一直会晃，实际上这个条件基础不满足，后梁麻省有几个研究者就把这个理论和美国（英文）模型结出了很好的结果，基本上可以解决这种东西。

另外一个CFD，我现在发现整机厂不景气就把CFD开掉，整机设计载荷6000到一万个工矿，要是满足相应的条件，我正常情况下我要把风机看成至少是一个飞行特性捕捉出来，我用边界层耦合理论，6到7层网隔，现在目前为止不用做的特别大，5兆瓦的模型，这个过程中你引入一些哪怕是现在超算都做不到，用CFD解这个方程，甚至是欧拉方程都是不大现实的，我们可能做一些关键的，比如说做一些验证还是有办法的。几乎所有的模型主要是动态入流理论这个方法，它现在想用一些这样的理论。

我个人认为，因为现在美国和欧洲都投了很多钱，研究新的气动模型，因为我们知道气动以现在的做不动了，我个人觉得加速度式，我们叫摄动方法，中国这方面是有基础的，我简单把气动说一下。

它是一个坐标，把这个方程解开，细节不说了，当时我做的，怎么把它做出来。

然后再就是水动，现在就是用莫尔斯方程，非常简单的方程，考虑了黏性系数和惯性系数，这个系数不同有不同的理解，看猜哪个好用，把数套上去，还要考虑浮力的问题，这就是水动力学的公式，再大了做就要复杂一点，比如说线性波理论，现在是用到一阶，你也可以考虑二阶，我做过验证，大概就是用一阶波的理论，这个是我在学校做的，当时（英文）找我麻烦，做的结果有一个对比，区域上基本上是吻合的，数量是相当的，基本上现在一阶波可以满足，水动力学的问题，为什么不用更好的东西，为什么还用莫尔斯方程，因为它比较保守，我把水动力算小，算大肯定没有问题，但是你风机做的特别大型化，你这个之后一堆钱出来了，还得往更深的地方去做。

然后就是耦合，原来都有动画效应，什么是结合，前面的方程是三块东西拼在一起，怎么解下来了，从那个理论来讲是在一个空间，想到高中的物理知识，我只是在不同的空间里，然后给出不太容易产生跳变的地方把它展开，其实就是把这个定义在空间系统东西解出来，说的太复杂了，这就是解耦，这个是气动这边是结构，现在目前这个理论不那么好支持的原因，我们在有些是硬生生的砍开，你现在不知道发生大的变形，发生大的倾斜角，这样的情况下才能解开。

然后（英文）就是用的气动结构的耦合，（英文）是水动力学模型，因为我看过的代码大概是这么一个方程，验证一下，按照它给定的模型，当时做了一个，一个做了辅助，一个做了（英文），这个实际上可以动画。

前面的工作我简单把整个理论做了汇报，就是把气动、结构、水动力学在一定的条件下，通过解耦方法然后把它解开，这里面有两个东西支持，第一个东西这么做准不准，对不对。第二个问题你不能靠人，基本上靠编程，我为什么把这个仿真软件与实验验证跟大家做一个专门的汇报，因为国内这一块特别弱。

仿真软件，我看老外做程序，现在做风力机最早的程序就是（英文），是人不断地去改，修，一直到2000年以后，后面还在不停地改，（英文）当时就是五分之一是注释，实际用了很简单的几个模型，大概有个30几号的程序，然后再加上一个7号的程序大概是这样子的。

把它的声音、阻力做完，这是其中最核心的，下面还有一个部分，核心代码就这么一点，但是后来做到很大，做到后来大的软件，做软件的东西，特别是工业软件特别弱的原因，能不能一直盯着认真不断改进，传递下去做好，我估计我们现在目前为止整机厂因为方法论是一致的，基本上到边了，我个人判断在高塔或者是大叶片，将来肯定就像飞机一样，在飞机肯定以摔一批机组为代价的。你要知道你的理论不是无限放大的，可能支持两兆瓦，三兆瓦，5兆瓦设计，未必能够支持10兆瓦、15兆瓦的设计。大概现在是两个流派，一个是美国派，另外一个是欧洲的，欧洲是和另外一个结合。整个算法大概就是这么多，时间关系就不细讲了。

另外一个问题特别不重视的问题就是实验，我知道其实你在做整个风机风动实验最关键的参数是林兆枢（音），就是你的速度乘你特征的半径除以难度，我把风机尺度放小，现在体积缩小十倍，速度就要放大十倍，不满足另外一个马赫准则，就进入了一个压缩状态，到目前为止在风动里面，把特性完全展现出来，现在目前工程是不满足的，这是全世界最大的实验，一个是欧洲的（英文），是三叶片的做了一个PIV的测试，另外一个是美国的，这是在风场测试的，这个我参加过，盲比数据可以随时要，看你的模型准不准，在准的情况下不同的模型大概差能差到15%到100%，150%到250%都很正常，现在目前为止我们掌握的气动工具应该说搞飞机的差不多，你想掌握理论知识实际还不能准确算出载荷，我这里做一个宣传，到目前为止我看了这么多的文献，不到三千篇，中国人可以写进名字是两个人，一个就是做杜兆辉，还有王涛光（音）老师，我用他的风动做的。

右边这个角是全世界第一个做的，其实发现我们水平差不多，大概一百多名，没有什么进步。这个是翼形做的，用PIV，这个就是快速照相，两帧以后发出的认为是速度，各种场景都捕捉到。为什么把这个说出来，其实现在是非常大的挑战，我把风动实验数据和我理论计算数据摆在一起差太厉害了，根本对不上，博士论文没有办法毕业了，基本上吻合，只能说趋势吻合，到目前为止我们知道我们用的理论工具远远没有达到支持我们行业发展，技术员还需要进一步努力，另外对于飘浮式风机是需要这样那样的实验，具体的就汇报这么多，谢谢。