结构仿真 | 在可持续能源领域掀起新波澜

本文原载于Ansys Advantage：《Making Waves in Sustainable Energy》

美国、英国和许多其他国家都已制定宏大的可再生能源目标，以缓解实际的气候变化影响。英国曾声明英国能源行业将于2050年实现碳净零排放；美国也曾表示希望到2035年能全部使用可再生能源发电。

尽管太阳能技术和风能技术已经开始替代化石燃料，并且这两种技术也已成为全球应对气候变化的基本备选方案，但是要实现宏大的目标，仅凭借这两种技术还远远不够。有一种全球各地都可以利用的，蕴藏丰富但却被忽视的能源：潮汐能。通过开发天然洋流蕴含的能源，世界各国都可以从一种物理足迹相对较小，对环境的影响也最小的清洁、可再生、可靠及可预测的能源中大获裨益。

潮汐流发电仍然是一种新兴的可再生能源技术，主要是因为它涉及复杂的工程挑战。如果要大规模采用潮汐发电来支持严格的可再生能源目标，就必须成功克服这些挑战。

Orbital公司于2002年在苏格兰奥克尼成立，该公司确立了一个明确的目标：完美整合工程专业技术，研发颠覆性的商业化大功率潮汐涡轮机所需的先进技术，并将其推广到全世界。

Orbital公司的旗舰解决方案O2，是一款长达74米的涡轮机，通过锚定系统系泊在海床上。当强劲的潮汐流冲击O2时，巨型1MW双水下转子将发出电力。该转子的叶片长10米，可提供超过600平方米的面积来捕获流动的潮汐能。电力通过活动线缆从涡轮机输送到海床，然后通过铺设在海床上的固定线缆，将能量输送到陆地上的配电设施。

Orbital公司设计O2的目的是，解决困扰潮汐涡轮机商业化的众多历史难题。与固定在海底的水下涡轮机不同，O2的转子附着在可以升出水面的支撑脚上，从而便于进行维护和维修。这是一个至关重要的设计特点，因为海洋环境非常恶劣，设备养护的难度与高成本过去一直都被视为潮汐涡轮机广泛商业化的重大障碍。

与现有潮汐涡轮机设计相比，精妙设计的O2有望显著降低生产与维护成本。Orbital公司希望O2能成为实现潮汐能发电实现广泛应用的关键技术。

Orbital公司成立于20多年以前，其工程团队采用了包括Ansys Mechanical在内的先进仿真解决方案，还有支持研发其潮汐技术的海上测试与演示程序。

在Ansys英国精英渠道合作伙伴EDRMedeso的本地支持下，Orbital工程师利用Ansys Mechanical对含转子、锚和链条的整个涡轮机设计的结构载荷与环境载荷进行仿真，从而确保设计能顺利承受包括极端天气状况在内的恶劣海况。

潮汐涡轮机

Ansys Mechanical助力Orbital团队在系统和组件层研究疲劳、振动、刚度、弯折和其他问题，包括严格分析O2设计上分布的数百个单独连接点。Ansys Mechanical可以与Orbital工程师采用的其他工程工具无缝集成，便于开展协作和交接设计任务。

在进行海上测试之前，Orbital利用Ansys Mechanical在低成本、无风险的虚拟环境中，来快速建模和验证设计，加快O2的初始设计，从而将研发周期缩短了数年时间。

Orbital工程师继续采用Ansys Mechanical进行性能探索与成本优化，比如，减轻质量与重量、提高可制造性、使用备选材料等。其工程团队的许多成员，都是从学生时期的高校工程项目就开始使用Ansys Mechanical，而至今它仍是快速、低成本、进行准确结构分析的行业标准。

最近，Orbital在其苏格兰奥克尼总部附近完成了O2的安装，那里拥有一部分世界上最强劲的潮汐流。

O2锚定在欧洲海洋能源中心 (EMEC)的Fall of Warness泊位，其潮汐流速度超过每秒3米，并与陆上的电网并网发电。O2不仅能产生足够2,000户家庭使用的电力，每年还能抵消由化石燃料产生的约2,000吨的二氧化碳。为了增强其对环境的积极影响，O2项目很快还将为欧洲海洋能源中心的陆上电解槽提供电力，该电解槽可生产绿色氢气，可以展现潮汐能如何向交通和供暖领域提供更多的、可预测的可再生能源。

在O2赢得成功的基础上，Orbital现将重点放在向全球拥有强劲潮汐流的地区提供多部涡轮机，建造潮汐发电厂，从而将其技术实现大规模商业化。随着越来越多的O2涡轮机投入使用，该产品的商业化成本预计将随着该技术在奥克尼的推出而显著降低，让潮汐发电成为全球各地尽快消除碳排放措施的重要选择。

展望未来，Orbital将继续借助EDRMedeso提供的专业技术支持，充分运用Ansys Mechanical和其他先进的工程工具，不断从成本和性能两个方面改进产品设计。潮汐能发电的发展进程虽然还不及风电和太阳能发电，而在虚拟环境中实现设计、测试和验证Orbital潮汐涡轮机性能的能力，对于缩小其差距至关重要，最终充分发挥海洋能的潜力，助力扭转气候变化局面。