软件为海上风力发电带来希望

海上风力涡轮机的一个激进的新想法是，用轻量的、无塔的机器取代顶部有叶片的又高又笨重的塔，其叶片类似于搅拌器的循环。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动的情况下进行的海上风能．3月，白宫宣布国家目标到2030年，新增海上风力发电30吉瓦。联邦政府表示，这一举措可以帮助1000多万户家庭供电，支持约7.7万个就业岗位，减少7800万吨碳排放，并每年刺激120亿美元的私人投资。作为新计划的一部分，在6月白宫和来自东海岸的11位州长发起了联邦-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。

海上风能具有吸引力的一个原因是沿海地区对电力的高需求。人们通常住在远离陆上风力最强的地方，而且城市里没有足够的空间来安装足够的太阳能电池板来为他们供电，他说瑞安Coe他是位于阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)水力小组的机械工程师。

拉索可以缩短或拉长，以根据风况调整叶片的高度，就像调整弓弦的张力可以帮助改变弓的曲线一样。

然而，在美国，近60%的近海风力吹过60多米深的水域。在这样的深度，在海底建造风力涡轮机的地基将被证明是非常昂贵的。然而，这种更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用电量。

漂浮在海底的风力涡轮机可以在可再生能源中发挥关键作用。然而，漂浮式海上风力涡轮机面临着自身的挑战，比如成本。

机械工程师说:“目前估计，在美国，漂浮的海上风能比陆基风能贵3到5倍。布兰登·埃尼斯他是桑迪亚在阿尔伯克基的海上风能技术主管。

这是美国能源部的目标能源高级研究计划局的亚特兰提斯项目是优化浮动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。恩尼斯说，新的无塔设计可能有助于减少它们的质量和成本。

当涉及到陆基风力发电时，涡轮机本身代表了其平均能源成本的65%，也就是说，它们的寿命成本除以能源产量。Ennis说，相比之下，海上浮动风力发电，涡轮机只占其平均成本的20%左右。相反，他们的浮动平台是这些成本背后的最大因素。

恩尼斯说:“考虑到涡轮机本身对能源均衡成本的贡献存在差异，海上漂浮风力涡轮机的设计可能与陆地上的最佳设计截然不同。”

现在大多数陆基风力涡轮机都是这样水平轴的机器．它们都有一个塔，塔上的叶片在水平轴上旋转，在涡轮吊舱(涡轮顶部的盒子)的叶片后面转动发电机。

相比之下，新设计是一个垂直轴风力涡轮机(VAWT)。这些可以类似于旋转门-它们每个都有叶片，叶片下有一个发电机。将风力涡轮机的巨大发电机放置在机器的底部，而不是放在塔顶的高处，这样就大大减轻了顶部的重量，从而减小了保持漂浮所需的浮动平台的尺寸和成本。

涉及到VAWTs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)可以旋转避开强烈的、破坏性的风，但以前的vawt可以从各个方向捕捉风。

新的设计用一组绷紧的电线取代了以前vawt中经常使用的中央垂直塔。这些电线可以缩短或延长，以调整叶片的高度，以应对风力条件，就像修改弓弦的张力可以帮助改变弓的曲线一样。

这种新设计可以帮助最大限度地提高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减轻了涡轮的重量，使浮动平台明显更小，更便宜。

以前有塔的大型空中加油机通常比空中加油机重。Ennis说，相比之下，新的无塔设计可能比传统的HAWT设计更轻。

一张历史照片显示了桑迪亚的实验性34米直径垂直轴风力涡轮机，建于20世纪80年代的德克萨斯州。兰迪·蒙托亚/桑迪亚国家实验室

Ennis指出，水位以上的质量越小，水位以下的质量就越少，这就形成了一个更轻、更便宜的平台。Ennis说:“最佳的风能系统将消除所有不直接从风能中获取能量的质量和成本，而无塔VAWT设计概念通过减少涡轮机质量和相关平台质量来实现这一目标。”桑迪亚在2020年为新设计提交了专利申请。

然而，Ennis说，所有VAWTs面临的一个关键挑战是，在过去30年风电行业稳步增长的过程中，它们为何没有成为研究的重点。因此，hawt拥有软件来帮助其设计，而VAWTS则没有。

现在，桑迪亚研究人员已经开发了一种新的工具来模拟VAWTs及其浮动平台可能对不同的风和海况做出的反应。全新海上风能模拟器(欧文斯)可以帮助优化这些机器的设计和控制。

Ennis说:“如果没有像我们这样的工具，就不可能有海上浮动的VAWT行业，与风能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高了这一能力，这令人兴奋。”

OWENS工具也可以模拟陆基vawt。此外，经过一些修改，它可以模拟非传统的hawt，例如bi-wing叶片或笼罩的概念恩尼斯说，另一种是横流海洋水力涡轮机，本质上是淹没在水中而不是空气中的VAWTs。

Ennis说，关于VAWTs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。据预测，基于升力的VAWTs有能力略微超过水平轴风力涡轮机的最大效率。”

Ennis指出:“90年代商业化的vawt存在疲劳问题。他们还使用了带螺栓接头的铝叶片，这几乎是你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力涡轮机的使用寿命。”然而，他说，现代设计可以克服这些担忧。

研究人员正在用80年代在桑迪亚建造的34米直径的陆基VAWT验证OWENS。这项研究最终可以帮助根据相关的设计标准验证VAWT模型。他们计划将研究结果提交给该杂志风能科学．

Ennis说，科学家们希望在今年年底前能有一个优化的浮动VAWT设计。他们的下一步目标是制造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。“有了我们的新设计软件，我们可以很好地评估这些优势对我们的无塔VAWT系统有多重要。”