關(guān)于海上風(fēng)力渦輪機(jī)的一個(gè)新想法是用輕型無(wú)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(lèi)似于一個(gè)攪拌器的環(huán)。研究人員說(shuō)，現(xiàn)在新的軟件可以幫助優(yōu)化這些不尋常的設(shè)計(jì)，使它們成為現(xiàn)實(shí)。

這項(xiàng)新工作是在美國(guó)政府計(jì)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(xiàng)國(guó)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(xiàng)計(jì)劃將幫助1000多萬(wàn)戶(hù)家庭提供電力，支持約7.7萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位，減少7800萬(wàn)噸碳排放，并刺激每年120億美元的私人投資。作為這一新計(jì)劃的一部分，6月，白宮和來(lái)自東海岸的11位州長(zhǎng)啟動(dòng)了聯(lián)邦-州海上風(fēng)電實(shí)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(gè)原因是沿海地區(qū)對(duì)電力的高需求。

Albuquerque的Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室水力發(fā)電組的機(jī)械工程師Ryan Coe說(shuō)，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(méi)有足夠的空間來(lái)安裝足夠的太陽(yáng)能電池板。

然而，在美國(guó)，近60%的可利用的海上風(fēng)吹過(guò)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?yàn)樗笾孪喈?dāng)于美國(guó)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(shuō)：“目前估計(jì)，漂浮海上風(fēng)電的成本是美國(guó)陸上風(fēng)電的三到五倍?！?/p>

美國(guó)能源部高級(jí)研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu)——能源部ATLANTIS項(xiàng)目的目標(biāo)是優(yōu)化浮式海上風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)，以最大限度地提高其功率，同時(shí)最小化其費(fèi)用。Ennis說(shuō)，這種新的無(wú)塔設(shè)計(jì)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(dòng)海上風(fēng)力發(fā)電時(shí)，渦輪機(jī)僅占其平準(zhǔn)化成本的20%左右，Ennis說(shuō)。相反，他們的浮動(dòng)平臺(tái)是這些成本背后的最大因素。

Ennis說(shuō)：“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(jì)可能與陸地上的最佳設(shè)計(jì)截然不同，這是有道理的?！?/p>

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(gè)都有一個(gè)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(dòng)發(fā)電機(jī)。

相比之下，新設(shè)計(jì)是垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)（VAWT）。它們類(lèi)似于旋轉(zhuǎn)門(mén)，每個(gè)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(dòng)平臺(tái)的尺寸和成本。

VAWT面臨的一個(gè)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(lái)自各個(gè)方向的風(fēng)。

新設(shè)計(jì)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(zhǎng)，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(jì)有助于最大化每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的能量捕獲，同時(shí)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(dòng)平臺(tái)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(wú)塔設(shè)計(jì)可能比傳統(tǒng)的HAWT設(shè)計(jì)更輕，Ennis說(shuō)。

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(tái)更輕、更便宜。“最佳風(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(wú)塔VAWT設(shè)計(jì)概念通過(guò)減少渦輪機(jī)質(zhì)量和相關(guān)平臺(tái)質(zhì)量朝著這一目標(biāo)前進(jìn)，”Ennis說(shuō)。Sandia在2020年為新設(shè)計(jì)提交了專(zhuān)利申請(qǐng)。

現(xiàn)在，Sandia的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的工具來(lái)模擬VAWT及其浮動(dòng)平臺(tái)對(duì)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(jì)和控制。

“沒(méi)有像我們這樣的工具，就不可能有一個(gè)浮動(dòng)海上VAWT行業(yè)，與風(fēng)電行業(yè)設(shè)計(jì)工具的歷史發(fā)展相比，我們的團(tuán)隊(duì)在如此短的時(shí)間內(nèi)提升了這一能力，這令人興奮，”Ennis說(shuō)。

OWENS工具還可以模擬陸基VAWT。此外，通過(guò)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(dòng)力渦輪機(jī)，基本上是浸沒(méi)在水中而不是空氣中的VAWT，Ennis說(shuō)。

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

Ennis確實(shí)注意到，“上世紀(jì)90年代商業(yè)化的VAWT存在疲勞問(wèn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)不足以表征風(fēng)機(jī)的使用壽命。”然而，他說(shuō)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)可以克服這些問(wèn)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(yàn)證OWENS。該研究最終有助于根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證VAWT模型。他們計(jì)劃將他們的發(fā)現(xiàn)提交給《風(fēng)能科學(xué)》雜志。

Ennis說(shuō)，科學(xué)家們希望在今年年底之前有一個(gè)優(yōu)化的浮動(dòng)VAWT設(shè)計(jì)。他們下一步的目標(biāo)是用一臺(tái)小型物理演示機(jī)來(lái)驗(yàn)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(shì)，特別是對(duì)于漂浮的海上風(fēng)能，”Ennis說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)我們的新設(shè)計(jì)軟件，我們可以很好地評(píng)估這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于我們的無(wú)塔式VAWT系統(tǒng)的重要性?！?/p>