Brandon Ennis, Sandia National Laboratories tekniska ledare för vindkraft till havs, hade en radikalt ny idé för havsbaserade vindkraftverk:istället för ett högt, otympligt torn med blad i toppen, föreställde han sig en tornlös turbin med blad som var spända som en båge.

Denna design skulle tillåta den massiva generatorn som skapar elektricitet från snurrande blad att placeras närmare vattnet, istället för på toppen av ett torn 500 fot ovanför. Detta gör turbinen mindre topptung och minskar storleken och kostnaderna för den flytande plattformen som behövs för att hålla den flytande. Sandia lämnade in en patentansökan för designen 2020.

Men innan han kunde sätta igång sin idé behövde teamet bygga mjukvara som kunde modellera turbinens och den flytande plattformens svar på olika vind- och havsförhållanden för att bestämma den optimala designen av hela systemet.

Nu har Sandia-teamet ett funktionellt designverktyg, eller "ritbord", och kan börja designa och optimera sitt lättare flytande vindturbinsystem.

"För att designa vårt flytande vindturbinsystem behövde vi ett designverktyg som kan simulera vind, vågor, bladelasticitet, plattformsrörelser och kontrollerna," sa Ennis. "Det finns några verktyg som kan göra en del av det vi behöver men utan all relevant tvåvägs kopplad dynamik för design och optimering av den här typen av vindturbiner. Det var ett stort åtagande, men det var viktigt. Det kan" inte vara en flytande vindkraftsindustri med vertikal axel utan ett pålitligt verktyg som detta."

Lättare, billigare turbiner för havsvind

Mycket av USA:s havsvind blåser över vatten mer än 200 fot djupt. På de djupen skulle det vara mycket dyrt att bygga de styva stödkonstruktioner som vanligtvis används av vindkraftverk. Däremot kan vindkraftverk som kan flyta över havsbotten spela en viktig roll för att diversifiera våra källor till förnybar energi och förbättra stabiliteten i nätet när städer och stater närmar sig att uppnå sina mål för nettonollutsläpp, säger Ryan Coe, en maskiningenjör i Sandias vattenkraftsgrupp.

"Det höga elbehovet vid kusterna är en anledning till att havsvind ser attraktiv ut; människor tenderar att bo borta från där pålandsvinden är starkast och det finns inte tillräckligt med utrymme i städerna för solpaneler," sa Coe. "Dessutom ger havsvind kraft vid olika tidpunkter på dygnet än sol och landvind."

Men flytande havsvind kommer med sina egna utmaningar, tillade Ennis. Främst är det väldigt dyrt att stödja vindkraftverken och underhålla dem när de är ute på havet. Målet för ett avdelning för avancerade forskningsprojekt för energiforskning Agency-Energy-program är att optimera designen av flytande vindturbiner, plattformar och styrsystem för att maximera effektuttaget samtidigt som kostnaderna minimeras, sade han.

"Frågan för oss blir hur vi tar bort massa och kostnader från systemet samtidigt som vi maximerar energifångst, det är där vi fick vår innovativa, tornlösa design med vertikal axel", sa Ennis.

De flesta vindkraftverk idag är baserade kring ett högt torn med tre blad som vrider en horisontell axel som vevar en generator bakom bladen i turbinens gondol, lådan i toppen av turbinen som innehåller rotorn och andra viktiga komponenter. Men det är inte det enda sättet att designa ett vindkraftverk, sa Ennis. Vissa turbiner har två eller flera blad som stöds av en vertikal axel med en generator under bladen. Denna design, som kallas ett Darrieus-vindkraftverk med vertikal axel, har en lägre tyngdpunkt och kan väga mindre än ett traditionellt vindturbin, sa Ennis, men en av dess främsta utmaningar är att det är svårt att skydda turbinen från extrema vindar.

För traditionella vindkraftverk med horisontell axel kan bladen rotera bort från intensiva, skadliga vindar, men Darrieus-designen fångar vinden från alla håll. Sandia-designen ersätter det centrala vertikala tornet med spända trådar, sa Ennis. Dessa kablar kan förkortas eller förlängas för att justera för förändrade vindförhållanden för att maximera energiupptagningen samtidigt som belastningen kontrolleras. Dessutom minskar vikten av turbinen ännu mer genom att ersätta axeln med vajrar, vilket gör att den flytande plattformen blir ännu mindre och billigare.

Utveckling och validering av designverktyg

Kevin Moore, en maskiningenjör i Sandias vindkraftsgrupp, och resten av teamet byggde på tidigare arbete av Sandia-ingenjör Brian Owens för att utveckla designverktyget för vindkraftverk med vertikal axel. Coe och Michael Devin, en annan maskiningenjör i vindkraftsgruppen, arbetade också med det. Teamet arbetade med att integrera fysikalgoritmer samtidigt som de förbättrade algoritmernas noggrannhet och hastighet.

Moore ledde också ansträngningarna att validera designverktyget med hjälp av data från ett landbaserat, 34 meter i diameter, vertikalt vindturbin byggt av Sandia på 80-talet.

"Medan vi arbetat med valideringsarbetet har det varit fantastiskt att se designkvaliteten och innovationen hos de äldre designers," sa Moore. "Det är ett privilegium att stå på jättarnas axlar samtidigt som man utnyttjar moderna beräkningsresurser."

En av anledningarna till att Sandia-teamet validerar designverktyget är så att det så småningom kan användas för att certifiera vindkraftskonstruktioner med vertikala axlar enligt de relevanta designstandarderna, sa Ennis.

"Just nu, om ett företag vill certifiera ett vindkraftverk med vertikal axel, finns det inget pålitligt designverktyg så det finns mycket osäkerhet i den processen," sa Ennis. "För att vi ska kunna tillhandahålla ett pålitligt designverktyg betyder det att certifieringsorganen skulle vara mer villiga att godkänna konstruktioner av vertikalaxlade vindkraftverk, vilket är nödvändigt för finansiering och deras slutliga utbyggnad."

Snurra fram en optimerad turbindesign

Nu kan teamet börja designa det flytande, vertikalaxlade vindturbinsystemet. Designverktyget kan användas för att modellera och optimera alla vindkraftverk med vertikal axel, oavsett om det har ett traditionellt torn eller spända trådar, sa Ennis. Teamet använder en process som kallas styrsamdesign för att hitta den mest kostnadseffektiva designen och styrningen av flytande vindkraftverk med vertikal axel.

"Vi designar hela systemet, turbinen och plattformen och deras kontroll, samtidigt för att minska den utjämnade energikostnaden, inte bara kostnaden för själva turbinen," sa Ennis. "Normalt kommer ett företag att designa turbinen, ett annat företag designar den flytande plattformen för den fasta turbindesignen, och sedan installerar ett tredje företag det med andra system för att göra en havsbaserad vindkraftsanläggning; och du får vad du får i slutändan när det gäller kostnad."

Teamet hoppas på att ha en optimerad design av flytande, vertikalaxlade vindturbinsystem i slutet av året, sa Ennis, men projektet hade inte varit möjligt utan deras nya specialiserade programvara.

"Det här är ett snyggt verktyg när det gäller hur det integrerar alla dessa olika funktioner," sa Coe. "Vi kunde länka verktyg som utvecklats för att modellera aerodynamiken och den strukturella dynamiken hos vindkraftverk med vertikala axlar – områden som Sandia alltid har varit ledande inom – och kombinera det med hydrodynamik och göra det mer lämpat för designoptimering." + Utforska vidare

Vertikala turbiner kan vara framtiden för vindkraftsparker