下一代无塔式涡轮机重量轻、效率高、成本低

BRENT HAGLUND

关于海上风力涡轮机的一个新想法是用轻型无塔式机器取代顶部有叶片的高而笨重的塔架，这些机器的叶片类似于一个搅拌器的环。研究人员说，现在新的软件可以帮助优化这些不寻常的设计，使它们成为现实。

这项新工作是在美国政府计划推广海上风能之际进行的。今年3月，白宫宣布了一项国家目标，即到2030年部署30吉瓦(GW)的新海上风电。联邦政府建议，这项计划将帮助1000多万户家庭提供电力，支持约7.7万个就业岗位，减少7800万吨碳排放，并刺激每年120亿美元的私人投资。作为这一新计划的一部分，6月，白宫和来自东海岸的11位州长启动了联邦-州海上风电实施伙伴关系，以进一步发展海上风电供应链，包括制造设施和港口能力。

海上风电具有吸引力的一个原因是沿海地区对电力的高需求。

Albuquerque的Sandia国家实验室水力发电组的机械工程师Ryan Coe说，人们通常居住在远离陆上风力最强的地方，城市中没有足够的空间来安装足够的太阳能电池板。

The guy wires can be shortened or lengthened to adjust the height of the blades in response to wind conditions, much as modifying the amount of tension in a bowstring can help change the curve of a bow.

然而，在美国，近60%的可利用的海上风吹过60米深的水域。在这样的深度，在海底建造风力涡轮机的基础将非常昂贵。然而，这种较深的海上风能仍然具有吸引力，因为它大致相当于美国全年的电力消耗。

可以漂浮在海底的风力涡轮机有助于在可再生能源中发挥关键作用。然而，浮式海上风力涡轮机面临自身的挑战，如成本。Sandia在Albuquerque的海上风电技术负责人机械工程师Brandon Ennis说：“目前估计，漂浮海上风电的成本是美国陆上风电的三到五倍。”

美国能源部高级研究项目机构——能源部ATLANTIS项目的目标是优化浮式海上风力涡轮机的设计，以最大限度地提高其功率，同时最小化其费用。Ennis说，这种新的无塔设计可能有助于降低它们的质量和成本。

就陆上风力发电而言，涡轮机本身占其平均化能源成本的65%，即其寿命成本除以能源生产。相比之下，当涉及到浮动海上风力发电时，涡轮机仅占其平准化成本的20%左右，Ennis说。相反，他们的浮动平台是这些成本背后的最大因素。

Ennis说：“考虑到风力发电机组本身的能源成本水平的差异，浮式海上风力发电机组的设计可能与陆地上的最佳设计截然不同，这是有道理的。”

目前大多数陆上风力涡轮机是水平轴机器。它们每个都有一个塔架，塔架上的叶片在水平轴上旋转，在涡轮机机舱（涡轮机顶部的盒子）的叶片后面转动发电机。

相比之下，新设计是垂直轴风力涡轮机（VAWT）。它们类似于旋转门，每个都有在垂直轴上旋转的叶片，叶片下方有发电机。将风力涡轮机的大型发电机放置在机器的底部，而不是高高的塔架上，使其顶部重量大大减轻，从而降低了保持其漂浮所需的浮动平台的尺寸和成本。

VAWT面临的一个挑战是保护它们免受极端风的影响。传统的水平轴风力涡轮机（HAWT）可以远离强风和破坏性风，但以前的VAWT可以捕捉来自各个方向的风。

新设计用一组绷紧的电线取代了以前VAWT中常用的中央垂直塔。这些钢丝可以缩短或延长，以根据风力条件调整叶片高度，就像改变弓弦的张力可以帮助改变弓的曲线一样。

这种新设计有助于最大化每个风力涡轮机的能量捕获，同时控制应变。此外，用电线替换轴进一步降低了涡轮机的重量，使浮动平台显著更小，成本更低。

以前带塔架的VAWT通常比HAWT更重。相比之下，新的无塔设计可能比传统的HAWT设计更轻，Ennis说。

Ennis指出，水位以上的质量越小，水位以下的质量就越小，从而导致平台更轻、更便宜。“最佳风能系统将消除所有不直接从风中获取能量的质量和成本，无塔VAWT设计概念通过减少涡轮机质量和相关平台质量朝着这一目标前进，”Ennis说。Sandia在2020年为新设计提交了专利申请。

现在，Sandia的研究人员开发了一种新的工具来模拟VAWT及其浮动平台对不同风和海况的响应方式。这种新型海上风能模拟器（Offshore Wind Energy Simulator，OWENS）可以帮助优化这些机器的设计和控制。

“没有像我们这样的工具，就不可能有一个浮动海上VAWT行业，与风电行业设计工具的历史发展相比，我们的团队在如此短的时间内提升了这一能力，这令人兴奋，”Ennis说。

OWENS工具还可以模拟陆基VAWT。此外，通过一些修改，它可以模拟非传统的HAWT，如双翼叶片或带罩概念，以及横流式海洋水动力涡轮机，基本上是浸没在水中而不是空气中的VAWT，Ennis说。

Ennis说，关于VAWT的普遍错误信息确实存在。“人们声称VAWT的空气动力学性能较低，”他说。“这是错误的。基于升力的VAWT预计有能力略微超过水平轴风力涡轮机的最大效率。”

Ennis确实注意到，“上世纪90年代商业化的VAWT存在疲劳问题。它们还使用了带有螺栓连接的铝叶片，这几乎是你可能做出的最糟糕的疲劳材料决定，而且设计标准不足以表征风机的使用寿命。”然而，他说，现代设计可以克服这些问题。

研究人员正在用80年代在Sandia建造的直径34米的陆上VAWT验证OWENS。该研究最终有助于根据相关设计标准验证VAWT模型。他们计划将他们的发现提交给《风能科学》杂志。

Ennis说，科学家们希望在今年年底之前有一个优化的浮动VAWT设计。他们下一步的目标是用一台小型物理演示机来验证其性能。

“垂直轴风力涡轮机比传统的水平轴风力涡轮机提供了一些有意义的优势，特别是对于漂浮的海上风能，”Ennis说。“通过我们的新设计软件，我们可以很好地评估这些优势对于我们的无塔式VAWT系统的重要性。”