Quay lại bảng vẽ: Phát minh lại tuabin gió ngoài khơi
Một bức ảnh lịch sử về tuabin gió trục đứng, đường kính 34 mét thử nghiệm của Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia được xây dựng ở Texas vào những năm 1980. Ảnh: Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia
Brandon Ennis, trưởng nhóm kỹ thuật gió ngoài khơi của Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, đã có một ý tưởng hoàn toàn mới cho các tuabin gió ngoài khơi: thay vì một tháp cao, khó sử dụng với các cánh quạt ở trên đỉnh, ông tưởng tượng ra một tuabin không tháp với các cánh kéo căng như một cánh cung.
Thiết kế này sẽ cho phép máy phát điện khổng lồ tạo ra điện từ các cánh quay được đặt gần mặt nước hơn, thay vì trên đỉnh của một tòa tháp cao hơn 500 feet. Điều này làm cho tuabin ít nặng hơn và giảm kích thước và chi phí của bệ nổi cần thiết để giữ nó nổi. Sandia đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho thiết kế vào năm 2020.
Tuy nhiên, trước khi ông có thể thực hiện ý tưởng của mình, nhóm cần xây dựng phần mềm có khả năng mô hình hóa phản ứng của tuabin và bệ nổi đối với các điều kiện gió và biển khác nhau để xác định thiết kế tối ưu của toàn bộ hệ thống.
Giờ đây, nhóm Sandia đã có một công cụ thiết kế chức năng hay còn gọi là "bảng vẽ" và có thể bắt đầu thiết kế và tối ưu hóa hệ thống tuabin gió nổi nhẹ hơn của họ.
Ennis cho biết: “Để thiết kế hệ thống tuabin gió nổi của mình, chúng tôi cần một công cụ thiết kế có thể mô phỏng gió, sóng, độ đàn hồi của cánh quạt, chuyển động của nền tảng và bộ điều khiển,” Ennis nói. "Có một số công cụ có thể thực hiện một số công việc chúng ta cần nhưng không có tất cả các động lực kết hợp hai chiều thích hợp để thiết kế và tối ưu hóa loại tuabin gió này. Đó là một cam kết lớn, nhưng nó rất cần thiết. Có thể ' Không phải là một ngành công nghiệp tuabin gió trục đứng, nổi mà không có một công cụ đáng tin cậy như thế này. "
Tua bin nhẹ hơn, rẻ hơn cho gió ngoài khơi
Phần lớn gió ngoài khơi của Hoa Kỳ thổi qua vùng nước sâu hơn 200 feet. Ở những độ sâu đó, sẽ rất tốn kém để xây dựng các cấu trúc hỗ trợ cứng thường được sử dụng bởi các tuabin gió. Tuy nhiên, các tuabin gió có thể lơ lửng trên đáy biển có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng tái tạo của chúng ta và cải thiện sự ổn định của lưới điện khi các thành phố và tiểu bang tiến gần hơn đến việc đạt được mục tiêu phát thải ròng của họ, Ryan Coe, một kỹ sư cơ khí trong tập đoàn điện nước của Sandia.
Coe cho biết: “Nhu cầu điện cao ở các bờ biển là một lý do tại sao gió ngoài khơi có vẻ hấp dẫn; mọi người có xu hướng sống xa nơi có gió trên bờ là mạnh nhất và không có đủ không gian trong các thành phố cho các tấm pin mặt trời,” Coe nói. "Ngoài ra, gió ngoài khơi cung cấp năng lượng vào những thời điểm khác nhau trong ngày so với gió mặt trời và gió trên bờ."
Tuy nhiên, gió nổi ngoài khơi đi kèm với những thách thức riêng của nó, Ennis nói thêm. Chủ yếu, rất tốn kém để hỗ trợ các tuabin gió và bảo trì chúng khi chúng ở ngoài biển. Ông cho biết, mục tiêu của một chương trình thuộc Cơ quan Dự án Nghiên cứu Nâng cao Năng lượng là tối ưu hóa thiết kế các tuabin gió nổi, bệ đỡ và hệ thống điều khiển để tối đa hóa sản lượng điện trong khi giảm thiểu chi phí.
Ennis cho biết: “Đối với chúng tôi, câu hỏi trở thành làm thế nào để loại bỏ khối lượng và chi phí khỏi hệ thống trong khi tối đa hóa việc thu năng lượng, đó là nơi chúng tôi có được thiết kế trục thẳng đứng, không tháp, sáng tạo của mình”.
Hầu hết các tuabin gió ngày nay đều được đặt xung quanh một tòa tháp cao với ba cánh quay trục ngang làm quay một máy phát điện phía sau các cánh trong trục của tuabin, hộp ở trên cùng của tuabin có chứa rôto và các thành phần quan trọng khác. Nhưng đó không phải là cách duy nhất để thiết kế một tuabin gió, Ennis nói. Một số tuabin có hai hoặc nhiều cánh được hỗ trợ bởi một trục thẳng đứng với một máy phát điện bên dưới các cánh. Ennis cho biết, thiết kế này được gọi là tuabin gió trục đứng Darrieus, có trọng tâm thấp hơn và có thể nặng hơn tuabin gió truyền thống, nhưng một trong những thách thức chính của nó là rất khó bảo vệ tuabin khỏi gió cực mạnh.
Đối với các tuabin gió trục ngang, truyền thống, các cánh quạt có thể xoay khỏi những cơn gió dữ dội và có tính sát thương, nhưng thiết kế Darrieus đón gió từ mọi hướng. Ennis cho biết, thiết kế của Sandia thay thế tháp thẳng đứng trung tâm bằng những sợi dây căng. Các dây này có thể được rút ngắn hoặc dài ra để điều chỉnh theo các điều kiện gió thay đổi nhằm tối đa hóa việc thu năng lượng trong khi kiểm soát lực căng. Ngoài ra, việc thay thế trục bằng dây dẫn làm giảm trọng lượng của tuabin hơn nữa, cho phép bệ nổi thậm chí còn nhỏ hơn và ít tốn kém hơn.
Thiết kế sáng tạo của Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia cho gió ngoài khơi: không có tháp nặng, thay vào đó là các cánh gió được kéo căng bằng dây thép. Nhà cung cấp hình ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brent Haglund / Sandia
Phát triển và xác nhận công cụ thiết kế
Kevin Moore, một kỹ sư cơ khí trong nhóm năng lượng gió của Sandia, và những người còn lại trong nhóm đã xây dựng dựa trên công việc trước đó của kỹ sư Sandia Brian Owens để phát triển công cụ thiết kế tuabin gió trục đứng. Coe và Michael Devin, một kỹ sư cơ khí khác trong nhóm năng lượng gió, cũng làm việc trên nó. Nhóm đã làm việc trên
tích hợp các thuật toán vật lý đồng thời cải thiện độ chính xác và tốc độ của các thuật toán.
Moore cũng dẫn đầu những nỗ lực xác thực công cụ thiết kế bằng cách sử dụng dữ liệu từ một tuabin gió trục đứng trên đất liền, đường kính 34 mét, do Sandia chế tạo vào những năm 80.
Moore nói: “Trong khi nỗ lực xác nhận, thật đáng kinh ngạc khi thấy chất lượng thiết kế và sự đổi mới của các nhà thiết kế kế thừa. "Đó là một đặc ân khi đứng trên vai những người khổng lồ trong khi tận dụng các nguồn lực tính toán hiện đại."
Ennis cho biết một trong những lý do tại sao nhóm Sandia đang xác nhận công cụ thiết kế là để cuối cùng nó có thể được sử dụng để chứng nhận các thiết kế tuabin gió trục đứng theo các tiêu chuẩn thiết kế thích hợp.
Ennis cho biết: “Ngay bây giờ, nếu một công ty muốn chứng nhận một tuabin gió trục đứng, thì không có một công cụ thiết kế đáng tin cậy, vì vậy sẽ có rất nhiều điều không chắc chắn trong quá trình đó. "Để chúng tôi có thể cung cấp một công cụ thiết kế đáng tin cậy có nghĩa là các tổ chức chứng nhận sẽ sẵn sàng hơn trong việc phê duyệt các thiết kế tuabin gió trục đứng, điều này cần thiết cho việc cung cấp tài chính và triển khai cuối cùng của chúng."
Tạo ra một thiết kế tuabin tối ưu hóa
Bây giờ, nhóm có thể bắt đầu thiết kế hệ thống tuabin gió trục đứng, nổi. Ennis cho biết, công cụ thiết kế có thể được sử dụng để mô hình hóa và tối ưu hóa bất kỳ tuabin gió trục đứng nào, cho dù nó có dạng tháp truyền thống hay dây căng, Ennis nói. Nhóm đang sử dụng một quy trình được gọi là đồng thiết kế điều khiển để tìm ra thiết kế và điều khiển hệ thống tuabin gió trục đứng nổi hiệu quả nhất về chi phí.
Ennis cho biết: “Chúng tôi đang thiết kế toàn bộ hệ thống, tuabin và nền tảng và điều khiển của chúng, đồng thời để giảm chi phí năng lượng được quy đổi, không chỉ chi phí của bản thân tuabin”. "Thông thường, một công ty sẽ thiết kế tuabin, công ty khác thiết kế bệ nổi cho thiết kế tuabin cố định đó và sau đó công ty thứ ba lắp đặt hệ thống đó với các hệ thống khác để tạo ra một nhà máy gió ngoài khơi; và cuối cùng bạn sẽ có được những gì Giá cả."
Ennis cho biết, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ có một thiết kế hệ thống tuabin gió trục đứng, nổi được tối ưu hóa vào cuối năm nay, nhưng dự án sẽ không thể thực hiện được nếu không có phần mềm chuyên dụng mới của họ.
Coe nói: “Đây là một công cụ gọn gàng về cách nó tích hợp tất cả các khả năng khác nhau này. "Chúng tôi có thể liên kết các công cụ được phát triển để lập mô hình khí động học và động lực học kết cấu của tuabin gió trục đứng - lĩnh vực mà Sandia luôn dẫn đầu - và kết hợp nó với thủy động lực học và làm cho nó phù hợp hơn để tối ưu hóa thiết kế."
