Tilbage til tegnebrættet:Genopfindelse af havvindmøller

Brandon Ennis, Sandia National Laboratories' tekniske ledende offshorevindmølle, havde en radikalt ny idé til havvindmøller:I stedet for et højt, uhåndterligt tårn med vinger i toppen, forestillede han sig en tårnløs mølle med vinger trukket stramt som en bue.

Dette design ville gøre det muligt for den massive generator, der skaber elektricitet fra roterende knive, at blive placeret tættere på vandet i stedet for på toppen af ​​et tårn 500 fod over. Dette gør turbinen mindre toptung og reducerer størrelsen og omkostningerne på den flydende platform, der er nødvendig for at holde den flydende. Sandia indgav en patentansøgning for designet i 2020.

Men før han kunne sætte sin idé i gang, var teamet nødt til at bygge software, der var i stand til at modellere turbinens og den flydende platforms reaktion på forskellige vind- og havforhold for at bestemme det optimale design af hele systemet.

Nu har Sandia-teamet et funktionelt designværktøj eller "tegnebræt" og kan begynde at designe og optimere deres lettere flydende vindmøllesystem.

"For at designe vores flydende vindmøllesystem havde vi brug for et designværktøj, der kan simulere vind, bølger, bladelasticitet, platformsbevægelser og controllere," sagde Ennis. "Der er nogle få værktøjer, der kan gøre noget af det, vi har brug for, men uden al den relevante to-vejs koblede dynamik til design og optimering af denne slags vindmøller. Det var et stort arbejde, men det var essentielt. Der kan" ikke være en flydende vindmølleindustri med lodret akse uden et pålideligt værktøj som dette."

Lettere, billigere vindmøller til havvind

Meget af USA's havvind blæser hen over vand mere end 200 fod dybt. På de dybder ville det være meget dyrt at bygge de stive støttekonstruktioner, der typisk bruges af vindmøller. Men vindmøller, der kan flyde over havbunden, kan spille en vigtig rolle i at diversificere vores kilder til vedvarende energi og forbedre stabiliteten af ​​nettet, efterhånden som byer og stater rykker tættere på at nå deres netto-nul-emissionsmål, sagde Ryan Coe, en maskiningeniør i Sandias vandkraftgruppe.

"Den høje elektriske efterspørgsel på kysterne er en af ​​grundene til, at havvind ser attraktiv ud; folk har en tendens til at bo væk fra, hvor pålandsvinden er stærkest, og der er ikke plads nok i byerne til solpaneler," sagde Coe. "Også giver havvind strøm på forskellige tidspunkter af dagen end sol- og landvind."

Flydende havvind kommer dog med sine egne udfordringer, tilføjede Ennis. Det er primært meget dyrt at understøtte vindmøllerne og vedligeholde dem, når de er ude på havet. Målet med et Department of Energy Advanced Research Project Agency-Energy-program er at optimere designet af flydende vindmøller, platforme og styresystemer for at maksimere strømudgangen og samtidig minimere omkostningerne, sagde han.

"For os er spørgsmålet, hvordan vi fjerner masse og omkostninger fra systemet, mens vi maksimerer energiopsamlingen, og det er her, vi fik vores innovative, tårnløse design med lodret akse," sagde Ennis.

De fleste vindmøller i dag er baseret omkring et højt tårn med tre vinger, der drejer en vandret aksel, der trækker en generator bag vingerne i møllens nacelle, boksen øverst på møllen, der indeholder rotoren og andre vigtige komponenter. Men det er ikke den eneste måde at designe en vindmølle på, sagde Ennis. Nogle turbiner har to eller flere vinger understøttet af en lodret aksel med en generator under vingerne. Dette design, kaldet en Darrieus vindmølle med lodret akse, har et lavere tyngdepunkt og kan veje mindre end en traditionel vindmølle, sagde Ennis, men en af ​​dens største udfordringer er, at det er svært at beskytte møllen mod ekstreme vinde.

For traditionelle vindmøller med vandret akse kan vingerne rotere væk fra intense, skadelige vinde, men Darrieus-designet fanger vinden fra alle retninger. Sandia-designet erstatter det centrale lodrette tårn med stramme tråde, sagde Ennis. Disse ledninger kan forkortes eller forlænges for at justere til skiftende vindforhold for at maksimere energifangsten, mens belastningen kontrolleres. Derudover reducerer udskiftning af akslen med ledninger vægten af ​​turbinen endnu mere, hvilket gør det muligt for den flydende platform at være endnu mindre og billigere.

Udvikling og validering af designværktøj

Kevin Moore, en mekanisk ingeniør i Sandias vindenergigruppe, og resten af ​​teamet byggede på tidligere arbejde fra Sandia-ingeniør Brian Owens for at udvikle værktøjet til design af vindmøller med lodret akse. Coe og Michael Devin, en anden maskiningeniør i vindkraftgruppen, arbejdede også på det. Holdet arbejdede på at integrere fysikalgoritmer, samtidig med at de forbedrede nøjagtigheden og hastigheden af ​​algoritmerne.

Moore ledede også bestræbelserne på at validere designværktøjet ved hjælp af data fra en landbaseret, 34 meter-diameter, vertikal-akset vindmølle bygget af Sandia i 80'erne.

"Mens man har arbejdet på valideringsindsatsen, har det været fantastisk at se designkvaliteten og innovationen hos de ældre designere," sagde Moore. "Det er et privilegium at stå på skuldrene af giganter og samtidig udnytte moderne beregningsressourcer."

En af grundene til, at Sandia-teamet validerer designværktøjet, er, at det i sidste ende kan bruges til at certificere lodrette akse vindmølledesign til de relevante designstandarder, sagde Ennis.

"Lige nu, hvis en virksomhed ønsker at certificere en vindmølle med lodret akse, er der ikke et pålideligt designværktøj, så der er meget usikkerhed i den proces," sagde Ennis. "For os at være i stand til at levere et pålideligt designværktøj betyder det, at certificeringsorganerne ville være mere villige til at godkende lodrette akse vindmølledesign, hvilket er nødvendigt for finansiering og deres endelige implementering."

Udvikling af et optimeret turbinedesign

Nu kan teamet begynde at designe det flydende, lodrette akse vindmøllesystem. Designværktøjet kan bruges til at modellere og optimere enhver vindmølle med lodret akse, uanset om den har et traditionelt tårn eller stramme wirer, sagde Ennis. Holdet bruger en proces kaldet kontrol co-design til at finde det mest omkostningseffektive design og kontrol af flydende lodret-akse vindmøllesystem.

"Vi designer hele systemet, turbinen og platformen og deres kontrol, samtidig for at reducere de udjævnede energiomkostninger, ikke kun omkostningerne ved selve turbinen," sagde Ennis. "Normalt vil et firma designe møllen, et andet firma designer den flydende platform til det faste mølledesign, og så installerer et tredje firma det med andre systemer for at lave et havvindanlæg; og du får, hvad du får i sidste ende mht. omkostninger."

Holdet håber på at have et optimeret flydende, lodret-akset vindmøllesystem design inden udgangen af ​​året, sagde Ennis, men projektet ville ikke have været muligt uden deres nye specialiserede software.

"Dette er et pænt værktøj i forhold til den måde, hvorpå det integrerer alle disse forskellige muligheder," sagde Coe. "Vi var i stand til at forbinde værktøjer udviklet til modellering af aerodynamikken og den strukturelle dynamik af vindmøller med lodret akse - områder, som Sandia altid har været førende inden for - og kombinere det med hydrodynamik og gøre det mere velegnet til designoptimering." + Udforsk yderligere

Lodrette møller kan være fremtiden for vindmølleparker