關(guān)于海上風(fēng)力渦輪機(jī)的一個新想法是用輕型無塔式機(jī)器取代頂部有葉片的高而笨重的塔架，這些機(jī)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(shè)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(fēng)能之際進(jìn)行的。今年3月，白宮宣布了一項國家目標(biāo)，即到2030年部署30吉瓦（GW）的新海上風(fēng)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(fēng)電實施伙伴關(guān)系，以進(jìn)一步發(fā)展海上風(fēng)電供應(yīng)鏈，包括制造設(shè)施和港口能力。

海上風(fēng)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(jī)械工程師Ryan Coe說，人們通常居住在遠(yuǎn)離陸上風(fēng)力最強(qiáng)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(fēng)吹過60米深的水域。在這樣的深度，在海底建造風(fēng)力渦輪機(jī)的基礎(chǔ)將非常昂貴。然而，這種較深的海上風(fēng)能仍然具有吸引力，因為它大致相當(dāng)于美國全年的電力消耗。

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

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

就陸上風(fēng)力發(fā)電而言，渦輪機(jī)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(chǎn)。相比之下，當(dāng)涉及到浮動海上風(fēng)力發(fā)電時，渦輪機(jī)僅占其平準(zhǔn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的能源成本水平的差異，浮式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計可能與陸地上的最佳設(shè)計截然不同，這是有道理的。”

目前大多數(shù)陸上風(fēng)力渦輪機(jī)是水平軸機(jī)器。它們每個都有一個塔架，塔架上的葉片在水平軸上旋轉(zhuǎn)，在渦輪機(jī)機(jī)艙（渦輪機(jī)頂部的盒子）的葉片后面轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)。

相比之下，新設(shè)計是垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)（VAWT）。它們類似于旋轉(zhuǎn)門，每個都有在垂直軸上旋轉(zhuǎn)的葉片，葉片下方有發(fā)電機(jī)。將風(fēng)力渦輪機(jī)的大型發(fā)電機(jī)放置在機(jī)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(hù)它們免受極端風(fēng)的影響。傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)（HAWT）可以遠(yuǎn)離強(qiáng)風(fēng)和破壞性風(fēng)，但以前的VAWT可以捕捉來自各個方向的風(fēng)。

新設(shè)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(jù)風(fēng)力條件調(diào)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(shè)計有助于最大化每個風(fēng)力渦輪機(jī)的能量捕獲，同時控制應(yīng)變。此外，用電線替換軸進(jìn)一步降低了渦輪機(jī)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(shè)計可能比傳統(tǒng)的HAWT設(shè)計更輕，Ennis說。

Ennis指出，水位以上的質(zhì)量越小，水位以下的質(zhì)量就越小，從而導(dǎo)致平臺更輕、更便宜?！白罴扬L(fēng)能系統(tǒng)將消除所有不直接從風(fēng)中獲取能量的質(zhì)量和成本，無塔VAWT設(shè)計概念通過減少渦輪機(jī)質(zhì)量和相關(guān)平臺質(zhì)量朝著這一目標(biāo)前進(jìn)，”Ennis說。Sandia在2020年為新設(shè)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(fēng)和海況的響應(yīng)方式。這種新型海上風(fēng)能模擬器（Offshore Wind Energy Simulator，OWENS）可以幫助優(yōu)化這些機(jī)器的設(shè)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(fēng)電行業(yè)設(shè)計工具的歷史發(fā)展相比，我們的團(tuán)隊在如此短的時間內(nèi)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(jī)，基本上是浸沒在水中而不是空氣中的VAWT，Ennis說。

Ennis說，關(guān)于VAWT的普遍錯誤信息確實存在。“人們聲稱VAWT的空氣動力學(xué)性能較低，”他說?！斑@是錯誤的?；谏Φ腣AWT預(yù)計有能力略微超過水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)的最大效率?！?/p>

Ennis確實注意到，“上世紀(jì)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不足以表征風(fēng)機(jī)的使用壽命?！比欢f，現(xiàn)代設(shè)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(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)驗證VAWT模型。他們計劃將他們的發(fā)現(xiàn)提交給《風(fēng)能科學(xué)》雜志。

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

“垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)比傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)提供了一些有意義的優(yōu)勢，特別是對于漂浮的海上風(fēng)能，”Ennis說。“通過我們的新設(shè)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>