Brandon Ennis, kierownik techniczny ds. morskich elektrowni wiatrowych w Sandia National Laboratories, miał radykalnie przewrotny pomysł na morskie turbiny wiatrowe: zamiast wysokiej, potężnej wieży z łopatami na szczycie, wyobraził sobie turbinę bez wieży, z łopatami naciągniętymi jak w łuku.

Taka konstrukcja pozwoliłaby na umieszczenie masywnego generatora wytwarzającego energię elektryczną z wirujących łopat bliżej wody, zamiast na szczycie wieży znajdującej się średnio na wysokości około 150 metrów. Dzięki temu turbina jest nie tylko lżejsza, mniejszych rozmiarów, ale także znacząco zmniejsza koszt platformy pływającej potrzebnej do utrzymania jej na powierzchni. Sandia złożył wniosek patentowy na ten właśnie projekt w 2020 roku.

Zanim jednak Ennis mógł wprawić swój pomysł w ruch, zespół musiał zbudować oprogramowanie zdolne do modelowania reakcji turbiny i platformy pływającej w różnych warunkach wiatrowych i morskich, aby określić i zoptymalizować projekt całego systemu.

Fot. Innowacyjny projekt Sandia National Laboratories dla morskiej energetyki wiatrowej: brak ciężkiej wieży, zamiast tego łopaty wiatrowe naciągnięte za pomocą linek. (Ilustracja autorstwa Brenta Haglunda)

Teraz zespół z Sandii ma funkcjonalne narzędzie projektowe, czyli "deskę kreślarską" i może rozpocząć projektowanie i optymalizację swojego lżejszego systemu pływającej turbiny wiatrowej.

– Aby zaprojektować nasz system pływającej turbiny wiatrowej, potrzebowaliśmy narzędzia projektowego, które może symulować wiatr, fale, elastyczność łopat, ruch platformy i sterowniki – powiedział Ennis.

– Istnieje kilka narzędzi, które mogą zrobić niektóre z tego, czego potrzebujemy, ale bez wszystkich istotnych dwukierunkowych sprzężonych dynamik dla projektowania i optymalizacji tego rodzaju turbiny wiatrowej. To było duże przedsięwzięcie, ale niezbędne. Nie może istnieć przemysł pływających, pionowych turbin wiatrowych bez zaufanego narzędzia takiego jak to – dodaje kierownik.

Lżejsze, tańsze turbiny dla morskiej energetyki wiatrowej

Duża część wiatru na morzu wieje w obszarach o głębokości ponad 60 metrów. Na takich głębokościach budowa sztywnych konstrukcji nośnych, w które zazwyczaj wyposażone są turbiny wiatrowe, byłaby bardzo kosztowna. Jednak turbiny wiatrowe, które mogą unosić się, mogłyby odegrać ważną rolę w dywersyfikacji źródeł energii odnawialnej i poprawie stabilności sieci, gdy miasta i rejony przemysłowe zbliżają się do osiągnięcia swoich celów zerowej emisji netto, powiedział Ryan Coe, inżynier mechanik w grupie energii wodnej Sandii.

– Wysokie zapotrzebowanie na energię elektryczną na wybrzeżach jest jednym z powodów, dla których offshore jest tak atrakcyjny. Ludzie mają tendencję do życia z dala od miejsc, gdzie lądowy wiatr jest najsilniejszy, a w miastach nie ma wystarczająco dużo miejsca na panele słoneczne. Ponadto offshore dostarcza energii w innych porach dnia niż fotowoltaika i onshore – powiedział Coe.

Jednak floating offshore wiąże się z wyzwaniami. Przede wszystkim, jest to bardzo kosztowne, aby wspierać turbiny wiatrowe i utrzymać je, gdy są one na morzu. Celem jednego z programów Departamentu Energii Advanced Research Project Agency-Energy jest optymalizacja konstrukcji pływających turbin wiatrowych, platform i systemów sterowania w celu maksymalizacji mocy przy jednoczesnej minimalizacji kosztów.

Fot. Obraz analizy innowacyjnej pływającej turbiny wiatrowej o pionowej osi Sandia National Laboratories przez nowe narzędzie projektowe zespołu.

– Dla nas pytanie brzmi: jak usunąć masę i koszty z systemu, jednocześnie maksymalizując przechwytywanie energii? Stąd wzięła się nasza innowacyjna, bezwieżowa konstrukcja z pionową osią – powiedział Ennis.

Większość dzisiejszych turbin wiatrowych opiera się na wysokiej wieży z trzema łopatami obracającymi poziomy wał, który napędza generator znajdujący się w gondoli turbiny, "pudełku" na szczycie turbiny, które zawiera wirnik i inne ważne komponenty. Ale to nie jest jedyny sposób projektowania turbin wiatrowych. Niektóre turbiny mają dwie lub więcej łopat podtrzymywanych przez pionowy wał z generatorem umieszczonym poniżej łopat. Taka konstrukcja, zwana turbiną wiatrową o pionowej osi Darrieusa, ma niższy środek ciężkości i może ważyć mniej niż tradycyjna turbina wiatrowa, wyjaśniał  Ennis, ale jednym z jej głównych wyzwań jest to, że trudno jest chronić turbinę przed ekstremalnymi warunkami atmosferycznymi.

W przypadku tradycyjnych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu łopaty mogą obracać się z dala od intensywnych wiatrów, ale konstrukcja Darrieusa łapie wiatr z każdego kierunku. Projekt Sandii zastępuje centralną pionową wieżę napiętymi drutami, powiedział Ennis. Druty te mogą być skracane lub wydłużane w celu dostosowania do zmieniających się warunków wiatrowych, aby zmaksymalizować przechwytywanie energii przy jednoczesnej kontroli naprężenia. Dodatkowo, zastąpienie wału drutami jeszcze bardziej zmniejsza wagę turbiny, dzięki czemu platforma pływająca może być jeszcze mniejsza i tańsza.

Rozwój i walidacja narzędzia projektowego

Kevin Moore, inżynier mechanik z grupy Sandia zajmującej się energią wiatrową, oraz reszta zespołu oparli się na wcześniejszych pracach inżyniera Sandii Briana Owensa i opracowali narzędzie do projektowania turbin wiatrowych o pionowej osi. Coe i Michael Devin, inny inżynier mechanik z grupy energetyki wiatrowej, również pracowali nad tym rozwiązaniem.

Moore kierował również wysiłkami zmierzającymi do walidacji narzędzia projektowego, wykorzystując dane z lądowej turbiny wiatrowej o średnicy 34 metrów i pionowej osi obrotu, zbudowanej przez Sandię w latach 80-tych.

Zespół pracował nad integracją algorytmów fizyki, jednocześnie poprawiając ich dokładność i szybkość.

- Podczas prac nad walidacją, niesamowite było zobaczyć jakość projektu - powiedział Moore.

Jednym z powodów, dla których zespół Sandii waliduje narzędzie projektowe, jest to, że może ono ostatecznie zostać wykorzystane do certyfikacji projektów turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu do odpowiednich standardów projektowych, wyjaśniał Ennis.

- Obecnie, jeśli firma chce certyfikować turbinę wiatrową o pionowej osi obrotu, nie ma zaufanego narzędzia projektowego, więc proces ten jest bardzo niepewny - powiedział Ennis.

- Dla nas możliwość zapewnienia zaufanego narzędzia projektowego oznacza, że jednostki certyfikujące będą skłonne do zatwierdzania projektów turbin wiatrowych o osi pionowej, co jest niezbędne do finansowania i ich ostatecznego wdrożenia - dodał ekspert.

Rozkręcanie zoptymalizowanego projektu turbiny

Teraz zespół może rozpocząć projektowanie systemu pływającej, pionowej turbiny wiatrowej. Narzędzie może być wykorzystane do modelowania i optymalizacji każdej turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, niezależnie od tego, czy ma ona tradycyjną wieżę, czy napięte druty odciągowe. Zespół wykorzystuje proces zwany control co-design, aby znaleźć najbardziej efektywny kosztowo projekt i kontrolę systemu pływającej turbiny wiatrowej o pionowej osi.

– Projektujemy cały system, turbinę i platformę oraz ich sterowanie, równolegle, aby zmniejszyć poziomowany koszt energii, a nie tylko koszt samej turbiny – powiedział Ennis.

– Zwykle jedna firma projektuje turbinę, inna firma projektuje platformę pływającą dla tej stałej konstrukcji turbiny, a następnie trzecia firma instaluje to z innymi systemami, aby stworzyć morską elektrownię wiatrową – dodał Ennis.

Zespół ma nadzieję, że do końca roku będzie miał zoptymalizowany projekt systemu pływającej, pionowej turbiny wiatrowej, ale projekt nie byłby możliwy bez ich nowego specjalistycznego oprogramowania.

– To zgrabne narzędzie pod względem sposobu, w jaki integruje wszystkie różne możliwości – powiedział Coe.

– Byliśmy w stanie połączyć narzędzia opracowane do modelowania aerodynamiki i dynamiki strukturalnej turbin wiatrowych o pionowej osi - obszary, w których Sandia zawsze była liderem - i połączyć je z hydrodynamiką oraz sprawić, że będą odpowiednie do optymalizacji projektu - dodał inżynier.

Rozwój oprogramowania do projektowania morskich turbin wiatrowych oraz przyszłe prace optymalizujące projekt całego systemu są wspierane przez program ATLANTIS Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Energii. Zespół Sandii współpracuje przy projekcie z partnerami - FPS Engineering & Technology oraz American Bureau of Shipping.

Źródło: arpa-e.energy.gov, evwind.es, sandia.gov