NREL的一个工程师团队最近获得了一项专利,他们设计了一个漂浮的海上风力平台,即使受到海浪的冲击,也能保持涡轮机有效运行。

任何漂浮的结构都要受海浪的摆布,但当这个漂浮的结构是风力涡轮机时,稳定的需求就变得至关重要了。bet188体育官网app下注不稳定的涡轮机无法有效地产生能量,这可能会削弱风力发电场的底线。

能源部国家可再生能源实验室(NREL)的主要工程师最近获得了一项设计专利,该设计有助于保护浮动风力涡轮机免受海浪的干扰188app下载地址——如果浮动风力发电场将成为现实,这是一项必要的任务——特别是在美国西海岸等地。bet188体育官网app下注

NREL首席工程师Senu Sirnivas与同事Rick Damiani和Fabian Wendt一起,因其团队的“柔性水生子结构”研究获得了专利,该研究提出了可以在深海波涛汹涌的水域中生存的风力涡轮机平台的想法。

USFLOWT

该设计被称为超柔性智能浮动海上风力涡轮机(USFLOWT),可以在现场制造、组装和预调试,然后拖到需要安装的地方。bet188体育官网app下注承载涡轮机的平台被称为SpiderFLOAT,因为该系统的浮力装置像蜘蛛腿一样从中心展开。

西尔尼瓦斯说:“第一件事——这对所有海上结构都是真的——是你有波浪,波浪会引起运动,特别是如果结构是漂浮的。”
据Sirnivas介绍,海上浮动系统通常由半潜式、TLP或spar结构组成。这些系统已经从石油和天然气行业改编而来,对于风力行业来说,除了承载涡轮机的结构之外,没有太大的区别。

他说:“这些结构几乎都是刚性连接的,当波浪作用在它们上时,结构开始移动,波浪引起的载荷被整个结构所吸收,你必须为此进行设计。”“在没有引入灵活性的情况下,结构构件被设计为承载所有载荷,导致系统更重。例如,在海上油气行业中,通过使系统具有一定的灵活性,实现结构组件的轻量化,可以减轻波浪引起的载荷。”

超柔性智能浮动海上风力涡轮机(USFLOWT)可以在现场制造、组装和预调试,然后拖到bet188体育官网app下注需要安装的地方。(礼貌:NREL)

需要灵活性

根据Sirnivas的说法,为了使结构轻量化,它必须考虑到一些灵活性,这反过来又允许物体移动。

他说:“这就是我们为ARPA-E项目设计的SpiderFLOAT平台——usflow(带兆瓦涡轮机的SpiderFLOAT)——的意义所在。”“它可以减轻一些波浪负载,所以它不会转移到整个系统。然后,我们可以轻量化结构组件,这是减轻波浪载荷的主要原因。”

对于刚性系统,波浪荷载会导致整个结构前后倾斜。主动压载可以通过用海水主动压载/反压载浮力罐来最大限度地捕获能量,以保持系统尽可能地直立和稳定,从而消除系统的平均节距。它仍然会前后俯仰,但是从一个较小的初始俯仰角来获取更多的能量。主动压载的问题是控制的响应时间,因为将海水泵入和泵出浮力罐需要相当长的调整时间。

更快的反应

Sirnivas表示,在SpiderFLOAT系统中,使用带张紧器的电缆,比主动压舱(将海水泵入和泵出)的反应速度快得多。
他说:“我们的目的是利用这些电缆,通过改变张力来提高平均俯仰,并使系统直立,以改善能量捕获。”

Sirnivas在油气行业有超过20年的工作经验,他利用自己的专业知识对油气领域的浮式系统进行了改造,以开发风能。
油气行业使用一次性的传统半钻井平台、圆木钻井平台和张力腿平台。根据Sirnivas的说法,在风能领域需要解决的主要问题之一是批量生产。

“你不会去建造一个;你会为一个特定的地点建造10个甚至数百个这样的建筑,”他说。

降低生产成本

任何类型的海上作业都可能非常昂贵、非常迅速,所以Sirnivas表示,任何可以在陆上、码头和近岸进行的作业都将有助于降低总体成本。

材料是该项目降低成本的另一个途径。
据Sirnivas介绍,许多海上建筑都是钢结构,而SpiderFLOAT主要使用混凝土。

他说:“混凝土比钢便宜,而且混凝土比钢重。”“你需要底部所有的重物——就像底部有龙骨的帆船一样——为稳定提供恢复力。我们在设计中所做的是类似的:将由钢筋混凝土制成的重型部件放在底部,而由玻璃纤维制成的轻型浮力箱放在上面。我称之为‘为了目的而使用材料’,在降低成本的同时解决稳定性问题。”

使用SpiderFLOAT系统,支腿一端通过万向节连接到中心阀杆,另一端连接浮力罐。阀杆和阀腿由钢筋混凝土制成。据Sirnivas介绍,捆绑的浮力罐由轻质玻璃纤维制成。

他说:“如果你看看我们今天的施工技术,在任何地方倒混凝土都很容易。”“对于传统的钢制半挂车,需要进行大量的切割和焊接。但如果是混凝土,你可以在现场把它们整块浇筑起来。浮力罐也可以现场缠绕。整个系统(平台、塔和涡轮机)可以在港口进行现场组装和预调试,以最大限度地降低资本支出成本。”

NREL LDRD基金

被授予专利的先进SpiderFLOAT设计是NREL的实验室指导研发(LDRD),历时两年多。希尔尼瓦斯和他的团队要为风力涡轮机创新一种具有成本意识的浮子设计,这需要“开箱即用的思维”。bet188体育官网app下注该团队为美国组装了一份漂浮物设计功能需求清单,产生了各种概念。通过计算机建模和模拟的进一步研究将其缩小到一个设计:SpiderFLOAT。

被授予专利的先进SpiderFLOAT设计是NREL的实验室指导研发(LDRD),历时两年多。(礼貌:NREL)

能源第一军团

随后,该团队继续参与能源I-Corps项目,通过进行70多次访谈来了解市场和海上风能行业的痛点,Sirnivas说,这很乏味,但对于解决设计问题是必要的——使其模块化并提供一个完整的解决方案。

Sirnivas表示,在TCF的额外资助下,该研究继续进行,在爱荷华大学的波浪盆地进行了比例模型测试,以研究系统的性能,这是开始降低风险工作的一小部分,但却是重要的一部分。

ARPA-E亚特兰蒂斯第一阶段

Sirnivas说,ARPA-E Atlantis第一阶段的合同是使用控制协同设计(CCD)方法使设计成熟的福音。该团队引入了平台驱动来控制平台行为,与涡轮机控制同步,以优化10兆瓦涡轮机USFLOWT-10的SpiderFLOAT平台。目标是实现7.5美分/千瓦时的LCOE。

据Sirnivas介绍,该团队与美国航运局(ABS)、科罗拉多矿业学院、科罗拉多大学和弗吉尼亚大学合作,通过控制来提高年产量。此外,获得ABS的原则性批准是设计的一项关键成就。为了解决冗余问题,从波盆测试和ABS路线图中吸取了经验教训,该设计一直在不断发展。

他说:“我们不再使用3条支腿和3条系泊线,而是使用6条支腿和6条系泊线来解决单根系泊线故障,通过分布更均匀的浮力模块提高稳定性。”

ARPA-E亚特兰蒂斯第二阶段

下一步是第二阶段。

希尔尼瓦斯说:“我们是少数进入第二阶段的幸运儿之一。”“我们正在确定范围,重点是进一步降低技术风险,最终展示优势并吸引行业的参与。”

最终,这项研究将涉及一个全面的模型测试,这将避开Sirnivas所说的“亚量表”设计。

“我不太喜欢在不受控制的开放水域环境中使用几个月甚至几年的20千瓦的小尺寸设计,这需要1000多万美元,因为最终,它只是被扔进了坟墓;什么都不会发生,”他说。

“我们计划在下一阶段对平台和涡轮机进行一个比以往更大的模型测试,其中包括全尺寸材料和模型预测控制,在受控环境下收集相关信息以验证数值模型。这将被用于建立一个工具集,在给定场地和涡轮机大小的情况下进行快速设计和重新设计,然后我们将接触行业,特别是风力涡轮机开发商,让他们参与进来。”

Sirnivas说,业内对这项技术的兴趣已经越来越大,但他强调,我们的目标不是急于求成。

他说:“人们对此很感兴趣,但我们的主要责任是首先降低这项技术的风险。”“我们还需要确保这确实增加了价值,解决了行业痛点。我们首先要证明并向业界展示这项技术是可行的,然后概述其价值主张。关于ARPA-E亚特兰蒂斯计划的事情是它是一个控制编码设计的努力。传统上,漂浮式海上风力涡轮机系统的设计是为了在漂浮平台设计者和涡轮机制造商之间来回传递信息。原因是涡轮控制算法是专有的,是涡轮特有的——他们不希望你乱动它。”

独立设计

因此,根据Sirnivas的说法,平台和涡轮不能一起设计,也不能在设计过程中改变控制算法(协同设计)。它们是独立设计的,然后结合在一起进行半优化设计。

“ARPA-E亚特兰蒂斯号的目标是控制整个系统的协同设计,”他说。“在USFLOWT中,我们通过控制扭矩和叶片间距来控制涡轮,我们还通过执行器改变电缆张力来控制平台,所以这真的成为了一个控制协同设计的问题。如何使用涡轮控制和平台控制来最小化运动并减轻系统重量,以便我们能够达到ARPA-E亚特兰蒂斯号设定的LCOE目标?”

根据Sirnivas的说法,细致的研究将把项目的下一阶段推迟到4年,然后才能对该技术的全尺寸模型进行测试,但这将展示USFLOWT系统可以帮助简化新兴的海上漂浮风电行业的许多有效方法。

“我们一开始的功能需求之一是模块化,”他说。“容纳更大、更重、推力更大的涡轮机,不需要对USFLOWT进行完全的重新设计。那么,我们该如何适应呢?目前,对于usflow10兆瓦,我们有六个支腿,每个支腿上有三个浮力罐。对于较大的涡轮机,我们稍微延长了腿,并增加了更多的浮力箱——很简单。”

根据Sirnivas的说法,由于设计的模块化,它能够容纳从6兆瓦到25兆瓦的涡轮机。

人们对这项技术的兴趣令人鼓舞,因为美国有许多海上地区可以从USFLOWT设计中受益。

希尔尼瓦斯说,在加利福尼亚西海岸有租约的公司已经对这种设计表现出了兴趣,在那里它将是有益的,但其他地区也可能受益,包括夏威夷、缅因湾和墨西哥湾,这些都是具有良好风能资源的深水地点。