可再生能源

可再生能源这个词汇涵盖了广泛的利用自然资源进行电力生产的新技术。从传统资源到新资源,如生物质、水能、风能、太阳能燃料电池、潮汐和波浪能、地热等,可再生能源在电力生产的总份额中占着持续增加的作用,尤其是当今能源生产商和消费者在平衡真实世界的财政和效率压力的同时,寻求对环境的影响达到最小化。

CFD模拟的潮汐发电涡轮

特别是当能源科学家和工程师努力在减少费用的同时增加产出,他们依靠ANSYS工程仿真软件来开发新的可再生能源设备、提高现有系统的可靠性和性能,比如燃料电池堆的电化学性能、优化生物质反应器和光电收集器的设计等。ANSYS解决方案能帮助加速开发过程、更快的引入新能源技术到市场中。通过减少物理原型试验所投入的时间、金钱和其它资源,ANSYS软件使得这些可再生能源技术的开发保持高效,正如这些技术在满足不断增长的全球能源需求时的高效一样。

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风能 风能

风能已经成长为全球能源的贡献者之一。风力机的设计和制造是复杂的工程领域,尤其是开发超大的风机叶片过程,这种风机叶片承受攻角改变时的脉动风载。

ANSYS 公司的软件提供整体的工程仿真环境,它求解一系列基本的数学方程,这些方程和结构力学流体力学热科学振动分析电磁研究和声科学相关。这项技术也通过分析基本物理场之间的相关性来进行多物理场仿真,这对风能工程师尤其关键,因为风力机常常受到流体、结构和电子多个方面的影响。

 

海上风机的分析

无论是大型还是小型风力项目,风能工程师利用ANSYS软件在整个风能供应链中进行持续的技术革新。ANSYS 软件帮助企业开发、制造、运输并安装风力机,旨在减少费用、提高风力机可靠性和运行的稳定性。ANSYS的工程仿真软件解决风能系统全范围的工程挑战,包括下面特定的应用:

  • 气动设计 (扭矩系数、叶片整体结构、极限载荷和疲劳、噪声预测、阵风、流固耦合、鸟撞、结冰、边界层转捩、近场尾迹和远场研究)
  • 结构设计 (塔架和转子结构安全、机电转换效率、安装和维护、近海运输和安装)
  • 部件设计 (叶片、齿轮箱和轴承、发电机、吊舱、转子、转向驱动器、转向电机)
  • 选址和风场设计(最大工程潜力、动力输出的峰值和平均值、风载、疲劳等级、后勤)
  • 叶片布置(地形变化、杂乱地势、森林影响、多尾迹效应、建筑物和涡流)
  • 电机系统(电机、变速控制系统、转换器、电力电子、电力分布系统、传感器和驱动器)
  • 制造过程(复合材料工程)

 

海上风机叶片变形

Courtesy REpower.

太阳能 太阳能

太阳能工程师正在努力开发制造太阳能面板的新过程来利用阳光中的能量,尤其是一些可靠的、费用低廉的过程,能抵抗温度变化、风载、冰雹以及风中夹杂物的冲击。此外,太阳能面板的应用在上升,包括在屋顶的安装,开发大规模的集中太阳能电厂,甚至为移动设备提供电力等。

随着材料、设备设计和生成过程的提高,太阳能系统已经变动更加有竞争性了。通过创新和产品改进,一些具有高光子吸收率、高电荷输运率和其它性能参数的示范面板已经制造出来了。
ANSYS软件在太阳能工业的各个环节都有应用,包括材料加工、制造、面板和部件的安装等。可以仿真每一种类型的太阳能技术,如硅基系统、碲化镉薄膜系统、CIG系统、带式、玻璃底基沉积技术、导模法太阳能电池。ANSYS软件支持太阳能工程师寻求减少制造成本、提高稳定性和存储性能、提升新的能源效率。多物理场的功能使得工程师可以考虑多个性能参数,从晶体生长率到外部面板的风载。

太阳能面板的风阻

在改善太阳能应用中的设备、过程、材料方面,包括新技术领域如薄膜和有机太阳能电池等,ANSYS 软件起着关键的作用。主要应用包括以下方面:

  • 设计大型和小型的光伏收集系统
  • 开发光伏部件如模块、逆变器、跟踪装置
  • 模拟集中式太阳能系统(CSP)
  • 设计CSP部件如中心接收器、接收管和镜面
  • 新型太阳能收集材料的分析
  • 电厂设计,包括蒸汽轮机、储能系统和其它设备
  • 开发新型的存储和冷却技术

 

水能 水能

随着社会在寻求对环境影响最小的可再生能源,水能获得了不断增长的关注。水电厂的概念简单—治理和存储水流动的自然能量—但事实上,要管理不可预测的流量和每天都在变化的性能,并不是一件容易的事。

 

 CFD模拟的水轮机

通常,进入水电厂的水流是很不均匀的,其中可能夹带碎石和鱼类。在吸水口,有多个因素会导致水流速度不均,包括弯曲的航道、水中的沙石障碍、水下管路系统等。这造成了水电厂每天的效率和能量输出的不确定性。

水能机构不仅利用ANSYS的流体解决方案开发特定的旋转机械系统,也利用结构电磁解决方案。ANSYS仿真模拟通过分析虚拟环境,来帮助优化水电厂的能量生产和日效率。该过程导致了快速的、低费用的改进。

除了应用在单个水轮机、入口阀门外,ANSYS软件在整个电厂也有广泛应用。强大的工程仿真工具帮助工程师设计新设备、升级和改造现有电厂,并改善通常的服务和维护工作。

ANSYS软件在水电厂的下列应用方面可以获得理想的效果:

  • 模拟入水口和泄洪道,沉积和磨损
  • 水电厂结构设计
  • 开发鱼道、沙石和其它水道
  • 电力生产和传输系统的设计
  • 冲击、显式动力学分析
  • 改造和升级,提高产能
  • 发电机、高压水轮机、水泵等部件的设计
  • 环境影响的研究
  • 能量损失和消耗的分析,与结构应力分析耦合
  • 模拟水头载荷、压力脉动和振动

 

燃料电池 燃料电池

燃料电池是一种生产电能的电化学设备,它利用外部燃料(阳极)和氧化剂(阴极)。燃料电池提供为电力生产以及交通设备提供一种特定目标的电力解决方案。其开发的挑战包括减少尺寸、重量、费用、提高可靠性。

燃料电池组内的电流密度

ANSYS仿真工具能够模拟单个电池内的电、热性能,也能模拟复杂的电池组。其强大的CFD工具能使电池和电池组的测试过程更合理,通过数值模拟达到优化电池设计,提高其电流密度、可靠性和寿命。ANSYS仿真工具帮助评估热和电对电池及电池组的性能的影响。

对燃料电池工程师来说,Ansoft是一个模拟电流和相关电子控制系统的特定工具,其中的Simplorer软件是一个模拟电池组的系统级工具。

ANSYS软件的目标是强大、快速和精确,可以帮助燃料电池设计者在下列应用领域提高性能:

  • 电化学: .ANSYS软件为SOFC和PEMFC两类燃料电池提供合适的化学反应模型,预测局部电流密度和电解面上的电压分布。电化学模型考虑了由于活化超电势的损失(动力学损失)和欧姆超电势的损失(电解液中的离子迁移引起的损失),以及浓度超电势的损失(由于电极上组分扩散不足引起的损失)。用二元扩散系数计算电池内的气相组分的分子扩散。
  • 多孔介质层的液体水流动: 提供的多相混合模型可以预测液体水流过多孔介质扩散层,并进入PEM燃料电池的流动通道内。电化学反应产生后在MEA和阴极多孔介质扩散层产生水,在阻力的驱动下流动。如果阴极的气体是饱和的,水以液态形式出现。ANSYS求解器的多相混合模型求解多孔介质扩散层内的质量、动量、能量和组分的守恒方程。除了描述液体流动外,ANSYS工具还预测多孔介质内的液体体积分数。当地空隙率的影响用来修正阴极扩散层内气相扩散、导热系数和导电系数的局部变化。对当地水浓度的输运性质的修正精确的模拟了水的产生和质量扩散、热传导和电传导。
  • 通道内的液体水流动:多相流模型允许工程师研究液体水离开多孔介质扩散层后,已薄液膜形式进入PEM燃料电池的流动通道。随着液体水接触到扩散层的表面,它作为液膜被引入到气流通道,此时气流和薄膜表面之间的剪切力驱动液膜流动。ANSYS软件可以考虑重力和表面张力的影响。也可以计算液体水由液膜流回扩散层。
  • 膜电极装配体(MEA): 定制化的MEA模型可以预测液体水的净传输量以及经过MEA的电子损失,包括PEM燃料电池里的薄聚合物膜和催化层。液体水在电渗透力和分子扩散作用下通过薄膜。仿真工具计算时,MEA中的质子传导率通过水的浓度和温度的函数求得。
  • 位势场: ANSYS软件可以预测SO和PEM燃料电池内固体和多孔介质区域的电流、电压和欧姆热。也可以考虑界面间的接触热阻。

 

生物质燃料 生物质燃料

生物材料,如植物,能通过燃烧和发酵和降解等生化反应产生能量。尽管目前生物系统产生的能量有限,主要在农业和小型示范应用上,但在全球的混合能源市场,生物质燃料占比在稳定的上升。尤其是工程师们所开发的新型液体燃料技术和更可持续的生物质过程。

ANSYS解决方案帮助工程师开发更广泛的新技术,提高能源生产、减少新生物能的污染率。这些复杂的应用需要ANSYS提供的全范围的多物理场软件,包括流体结构、热、燃烧和化学反应模型、过程设备设计和复杂的电子控制和动力系统的分析。

在生物燃料部分,ANSYS公司的CFD软件能帮助工程师开发新的过程和设备,用来把糖、淀粉或细胞质生物材料转换到燃料中,同时可以进行大尺度系统分析。特别是,ANSYS软件能模拟并改善一系列关键生物燃料部件:

  • 制氢反应器、发酵器和其它生物过程容器
  • 固定床和管式反应器
  • 裂化炉
  • 加氢处理器
  • 压力容器
  • 气液合成系统
  • 藻类生物反应器和其它转换为燃料的概念

生物质锅炉燃烧

Courtesy RMT - SmartBurn®.

在生物质方面,ANSYS解决方案帮助优化常规生物质废料和专门种植的生物质农作物的燃烧,生产、运输、加工。随着工程师不断开发新想法,生物质有望更加低廉,并提高在混合能源中的比例。ANSYS软件被用来模拟和设计大多数生物质过程和部件。

  • 转换生物质为液体燃料的新系统
  • 生物质和化石燃料共燃发电厂
  • 工厂升级和改造
  • 蒸汽生产和过程设备
  • 电力生产部件如涡轮
  • 气化系统
  • 直接燃烧设备如燃烧器、锅炉和燃烧室
  • 预热器、加热器和换热器
  • 厌氧消化容器和混合器
  • 甲烷捕捉和加工设备
  • 生物质颗粒相关加工和设备
  • 空气质量和污染控制设备
  • 灰和颗粒控制系统
  • 排放、磨损和冲击研究