關于浮式海上風力發(fā)電機組的設計

關于海上風力渦輪機的一個新想法是用輕型無塔式機器取代頂部有葉片的高而笨重的塔架，這些機器的葉片類似于一個攪拌器的環(huán)。研究人員說，現(xiàn)在新的軟件可以幫助優(yōu)化這些不尋常的設計，使它們成為現(xiàn)實。

這項新工作是在美國政府計劃推廣海上風能之際進行的。今年3月，白宮宣布了一項國家目標，即到2030年部署30吉瓦（GW）的新海上風電。聯(lián)邦政府建議，這項計劃將幫助1000多萬戶家庭提供電力，支持約7.7萬個就業(yè)崗位，減少7800萬噸碳排放，并刺激每年120億美元的私人投資。作為這一新計劃的一部分，6月，白宮和來自東海岸的11位州長啟動了聯(lián)邦-州海上風電實施伙伴關系，以進一步發(fā)展海上風電供應鏈，包括制造設施和港口能力。

海上風電具有吸引力的一個原因是沿海地區(qū)對電力的高需求。

Albuquerque的Sandia國家實驗室水力發(fā)電組的機械工程師Ryan Coe說，人們通常居住在遠離陸上風力最強的地方，城市中沒有足夠的空間來安裝足夠的太陽能電池板。

然而，在美國，近60%的可利用的海上風吹過60米深的水域。在這樣的深度，在海底建造風力渦輪機的基礎將非常昂貴。然而，這種較深的海上風能仍然具有吸引力，因為它大致相當于美國全年的電力消耗。

可以漂浮在海底的風力渦輪機有助于在可再生能源中發(fā)揮關鍵作用。然而，浮式海上風力渦輪機面臨自身的挑戰(zhàn)，如成本。Sandia在Albuquerque的海上風電技術負責人機械工程師Brandon Ennis說：“目前估計，漂浮海上風電的成本是美國陸上風電的三到五倍?！?/p>

美國能源部高級研究項目機構——能源部ATLANTIS項目的目標是優(yōu)化浮式海上風力渦輪機的設計，以最大限度地提高其功率，同時最小化其費用。Ennis說，這種新的無塔設計可能有助于降低它們的質量和成本。

就陸上風力發(fā)電而言，渦輪機本身占其平均化能源成本的65%，即其壽命成本除以能源生產。相比之下，當涉及到浮動海上風力發(fā)電時，渦輪機僅占其平準化成本的20%左右，Ennis說。相反，他們的浮動平臺是這些成本背后的最大因素。

Ennis說：“考慮到風力發(fā)電機組本身的能源成本水平的差異，浮式海上風力發(fā)電機組的設計可能與陸地上的最佳設計截然不同，這是有道理的?！?/p>

目前大多數(shù)陸上風力渦輪機是水平軸機器。它們每個都有一個塔架，塔架上的葉片在水平軸上旋轉，在渦輪機機艙（渦輪機頂部的盒子）的葉片后面轉動發(fā)電機。

相比之下，新設計是垂直軸風力渦輪機（VAWT）。它們類似于旋轉門，每個都有在垂直軸上旋轉的葉片，葉片下方有發(fā)電機。將風力渦輪機的大型發(fā)電機放置在機器的底部，而不是高高的塔架上，使其頂部重量大大減輕，從而降低了保持其漂浮所需的浮動平臺的尺寸和成本。

VAWT面臨的一個挑戰(zhàn)是保護它們免受極端風的影響。傳統(tǒng)的水平軸風力渦輪機（HAWT）可以遠離強風和破壞性風，但以前的VAWT可以捕捉來自各個方向的風。

新設計用一組繃緊的電線取代了以前VAWT中常用的中央垂直塔。這些鋼絲可以縮短或延長，以根據風力條件調整葉片高度，就像改變弓弦的張力可以幫助改變弓的曲線一樣。

這種新設計有助于最大化每個風力渦輪機的能量捕獲，同時控制應變。此外，用電線替換軸進一步降低了渦輪機的重量，使浮動平臺顯著更小，成本更低。

以前帶塔架的VAWT通常比HAWT更重。相比之下，新的無塔設計可能比傳統(tǒng)的HAWT設計更輕，Ennis說。

Ennis指出，水位以上的質量越小，水位以下的質量就越小，從而導致平臺更輕、更便宜?！白罴扬L能系統(tǒng)將消除所有不直接從風中獲取能量的質量和成本，無塔VAWT設計概念通過減少渦輪機質量和相關平臺質量朝著這一目標前進，”Ennis說。Sandia在2020年為新設計提交了專利申請。

現(xiàn)在，Sandia的研究人員開發(fā)了一種新的工具來模擬VAWT及其浮動平臺對不同風和海況的響應方式。這種新型海上風能模擬器（Offshore Wind Energy Simulator，OWENS）可以幫助優(yōu)化這些機器的設計和控制。

“沒有像我們這樣的工具，就不可能有一個浮動海上VAWT行業(yè)，與風電行業(yè)設計工具的歷史發(fā)展相比，我們的團隊在如此短的時間內提升了這一能力，這令人興奮，”Ennis說。

OWENS工具還可以模擬陸基VAWT。此外，通過一些修改，它可以模擬非傳統(tǒng)的HAWT，如雙翼葉片或帶罩概念，以及橫流式海洋水動力渦輪機，基本上是浸沒在水中而不是空氣中的VAWT，Ennis說。

Ennis說，關于VAWT的普遍錯誤信息確實存在?！叭藗兟暦QVAWT的空氣動力學性能較低，”他說?！斑@是錯誤的?；谏Φ腣AWT預計有能力略微超過水平軸風力渦輪機的最大效率?！?/p>

Ennis確實注意到，“上世紀90年代商業(yè)化的VAWT存在疲勞問題。它們還使用了帶有螺栓連接的鋁葉片，這幾乎是你可能做出的最糟糕的疲勞材料決定，而且設計標準不足以表征風機的使用壽命?！比欢?，他說，現(xiàn)代設計可以克服這些問題。

研究人員正在用80年代在Sandia建造的直徑34米的陸上VAWT驗證OWENS。該研究最終有助于根據相關設計標準驗證VAWT模型。他們計劃將他們的發(fā)現(xiàn)提交給《風能科學》雜志。

Ennis說，科學家們希望在今年年底之前有一個優(yōu)化的浮動VAWT設計。他們下一步的目標是用一臺小型物理演示機來驗證其性能。

“垂直軸風力渦輪機比傳統(tǒng)的水平軸風力渦輪機提供了一些有意義的優(yōu)勢，特別是對于漂浮的海上風能，”Ennis說。“通過我們的新設計軟件，我們可以很好地評估這些優(yōu)勢對于我們的無塔式VAWT系統(tǒng)的重要性?！?/p>