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全球頂尖風能研究機構的前5名點擊下圖直達（勘誤：Bladed早期由英國GH公司開發(fā)，并非為德國勞埃德船級社GL）。
書接上篇，以下補全第6-10名的基本介紹，最后對這10家機構進行總結，分析它們的共同點和成功的原因。當然，國內的大學和研究機構在風能領域也占有一席之地，其中的兩所大學（文末揭曉）可以進入Top 20榜單。 No.6 瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學 EPFL  洛桑聯(lián)邦理工學院（法語：école Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）是歐洲享有盛譽的名校，它專注于工程技術與自然科學兩大領域，與姊妹校蘇黎世聯(lián)邦理工學院一起組成瑞士聯(lián)邦理工學院。 EPFL具有一個可持續(xù)發(fā)展研究大團隊，其中風能工程與可再生能源實驗室(Wind Engineering and Renewable Energy Laboratory, WiRE)主要目標是結合使用數(shù)值仿真（大渦模擬）、實驗測試（風場及風洞）和理論方法來理解大氣邊界層和風能系統(tǒng)。  具體的研究方向包括：  No.7 德國弗朗霍夫-風能實驗室 IWES  德國弗朗霍夫協(xié)會成立于1949年，以德國科學家、發(fā)明家與企業(yè)家約瑟夫·弗朗霍夫的名字命名，是歐洲最大的應用科學科研機構，也是德國工業(yè)4.0技術體系的核心研究單位。不同于專注于基礎研究的大學和科研機構，弗朗霍夫研究院以推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展為前提，側重于工業(yè)應用。 弗朗霍夫具有一個專門的風能研究所（Institute for Wind Energy Systems， IWES），其研究方向以葉片、傳動鏈、軸承等部件測試為主。  為了更好地驗證和輔助測試，IWES也會開展相應的仿真模擬工作  IWES的各個測試中心（涉及激光雷達、葉片、軸承、傳動鏈、整機及風場等）分布在德國的漢堡、奧登堡、不來梅哈芬和漢諾威等多個城市。  No.8 挪威科技大學 NTNU  挪威科技大學（挪威文：Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet，NTNU）開設有能源與過程工程系和海洋技術系，其中，海洋工程是NTNU的王牌學科，這使得NTNU在海上風電具有深厚的研究基礎和技術沉淀。 為了在海上風電這個新興領域站穩(wěn)腳跟，NTNU專門成立了風能團隊，將流體、輪機和結構等多個不同學科背景和院系的人員匹配在一起。借助于在海上油氣平臺行業(yè)的經(jīng)驗，結合風洞及水池等實驗設備，NTNU在海上風電尤其是漂浮式風電具有強大的話語權。  
全球最大的浮式海上風電場Hywind（挪威） No.9 美國桑迪亞國家實驗室 SNL 和No. 2美國可再生能源實驗室NREL相似，桑迪亞國家實驗室SNL也是美國能源部管轄的實驗室之一，它主要涉及化石能源、核能、海洋能和風能等。即使在許多業(yè)內人眼中，SNL的存在感遠不如NREL，這是因為與NREL的光芒實在過于耀眼，但SNL的研究實力并不弱，其在風場及機組測試和仿真軟件開發(fā)方面反而具有極高的水準。 SNL擁有一個專門的試驗風場，包括3臺風電測試機組、2座氣象測風塔、激光測風雷達、用于狀態(tài)監(jiān)測的無人機等各種設備。SNL還針對于復合材料葉片開展了可靠性和損傷監(jiān)測、材料優(yōu)化研究及創(chuàng)新設計制造，甚至直接拆除原有葉片，安裝設計的新葉片進行掛機測試，進行風場真機驗證。此外，SNL還設計了開源的機組控制器，機組上布置了振動、光纖、皮托管、壓力帶、熱膜等各種傳感器，實時監(jiān)測機組的運行狀態(tài)。SNL在風場及機組實驗測試方面具有豐富的經(jīng)驗，積累了大量寶貴的測試數(shù)據(jù)。 在仿真模擬方面，和NREL類似，SNL也開發(fā)了許多開源免費的工具，比如： NuMAD（葉片復合材料建模及結構優(yōu)化工具） CACTUS（基于自由渦尾跡方法的仿真代碼） ExaWind（基于致動方法的風力機仿真軟件） Nalu（可擴展到高性能計算平臺的CFD代碼） DAKOTA（用于優(yōu)化和不確定性分析的代碼） 此外，SNL在葉片前緣腐蝕、海上及漂浮式風電、垂直軸風電機組、電網(wǎng)集成和電力系統(tǒng)等多個方向開展了研究工作，深度參與NREL主持的許多大項目，可以說SNL深藏功與名，是NREL背后最有力的支柱。 No.10 德國慕尼黑工業(yè)大學 TUM 德國慕尼黑工業(yè)大學TUM 在工程與設計學院下開設有專門的風能研究所，其研究活動集中在四個高度相互關聯(lián)的領域：模擬、測試、控制和設計。通過與工業(yè)界的密切合作，TUM致力于解決基礎科學和面向應用的問題，涵蓋空氣動力學、結構、動力學、材料、控制和電氣等主要學科。 基于BEM和多體動力學，TUM開發(fā)了一款名為 Cp-Lambda 的氣彈仿真工具。本質上，它和Bladed、OpenFAST等氣彈軟件類似。需要強調的是，氣彈工具主要用于風電機組的發(fā)電量、載荷、動力學響應、控制及噪聲等頻域及時域仿真，并不能直接設計得到一款機組。這里的設計狹義指的是確定葉片、塔架和傳動鏈等大部件的尺寸及控制器等核心參數(shù)，更加直白地說，生成整機及大部件的模型和圖紙。
風力機設計無法脫離氣彈軟件，但不能只依賴氣彈軟件。在設計中不僅需要在發(fā)電性能、載荷水平、安全裕度、重量及成本等多個方面進行平衡，還需要在氣動、結構、氣彈及控制等多個模塊之間反復迭代，調整各個大部件的參數(shù)及模型。目前在工業(yè)界，這個過程依賴于風電工程師的經(jīng)驗和嘗試，其中，葉片的結構鋪層設計、氣彈穩(wěn)定性和控制器調參極度耗費人力，風力機的設計鏈條難以實現(xiàn)自動化。學術上，NREL搭建了以OpenFAST為核心的WISDEM設計平臺，DTU建立了以HAWC2為核心的HAWCTOP設計平臺。理論上，計算機借助于設計平臺可以完全代替工程師，實現(xiàn)風力發(fā)電機的自動、高效和綜合地優(yōu)化設計。 繼NREL和DTU之后，TUM 圍繞 Cp-Lambda 也搭建了自身的 Cp-max 風電機組設計平臺，這是公開信息中目前世界上第三款類似的設計平臺。Cp-max 具有自身鮮明且獨特的優(yōu)勢，各個模塊之間的數(shù)據(jù)可以自由傳遞，可以對葉片結構進行多尺度建模及分析，自動化設計出符合工業(yè)水平的風電機組。 Cp-max風電機組自動化綜合設計平臺 總結 以上簡單介紹了全球頂尖風能研究機構Top10榜單中各個機構的基本情況。 正如前面所說，這個榜單的順序僅為個人觀點。全球還有其它多個風能研究機構，比如，美國的明尼蘇達大學、德克薩斯理工大學、意大利的米蘭理工大學、英國的布里斯托大學、荷蘭ECN能源研究中心、希臘的佩特雷大學等。 根據(jù) Top10 機構的介紹，可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在諸多的相似點，它們的成功也印證了： 1）風電研究需要結合理論、仿真和測試，不僅要探索基礎科學問題，更要聚焦于工業(yè)應用； 2）風電由氣動、結構、控制和材料等多個學科交叉復合，需要不同學科背景的人員參與； 3）風電研究需要長期持續(xù)不斷地技術積累和沉淀，不能急于求成，也不要重復造輪子。 其實，我國在風能領域的研究力量并不弱，只是過于分散。目前來看，華北電力大學（我國第一所開設風能專業(yè)的大學）和上海交通大學（海洋工程的雄厚積淀）分別憑借風電系統(tǒng)和海上風電可以進入世界風能研究的前10-20名。當然，國內還有一些其它優(yōu)秀的大學和研究機構。 后續(xù)我們專門出一期中國風能頂尖研究機構 Top 10 榜單，敬請期待。 參考文獻 [1] https://www./labs/wire/research/ [2] https://www.iwes./en/ [3] https://www./energy/wind-power [4]https://energy./programs/renewable-energy/wind-power/ [5]https://www.epe.ed./en/wind/home/ [6]https://wisdem./en/latest/index.html 轉載、投稿及合作請聯(lián)系 windofield@outlook.com |
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