桑迪亚国家实验室海上风电技术负责人布兰登·恩尼斯(BrandonEnnis)对海上风力涡轮机提出了一个全新的想法：他想像一个无塔式涡轮机，其叶片像弓一样拉紧，而不是一个高大、笨重的塔，顶部有叶片。

这种设计将允许将旋转叶片发电的大型发电机放置在离水更近的地方，而不是放在500英尺以上的塔顶。这使得涡轮机头重脚轻，并降低了保持其漂浮所需的浮动平台的尺寸和成本。桑迪亚于2020年为该设计提交了专利申请。

然而，在他付诸实施之前，该团队需要构建能够对涡轮机和浮动平台对不同风和海况的响应进行建模的软件，以确定整个系统的最佳设计。

现在，Sandia团队拥有了一个功能设计工具或“绘图板”，可以开始设计和优化他们更轻的浮动风力涡轮机系统。

“为了设计我们的浮动风力涡轮机系统，我们需要一种可以模拟风、波浪、叶片弹性、平台运动和控制器的设计工具，”Ennis说。“有一些工具可以完成我们需要的一些工作，但没有用于设计和优化这种风力涡轮机的所有相关双向耦合动力学。这是一项艰巨的任务，但它是必不可少的。有可以”如果没有像这样值得信赖的工具，就不能成为一个浮动的垂直轴风力涡轮机行业。”

用于海上风电的更轻、更便宜的涡轮机

美国的大部分海上风吹过200多英尺深的水域。在这些深度，建造风力涡轮机通常使用的刚性支撑结构将非常昂贵。然而，随着城市和州越来越接近实现其净零排放目标，能够漂浮在海床之上的风力涡轮机可以在使我们的可再生能源来源多样化和提高电网稳定性方面发挥重要作用，RyanCoe说，桑迪亚水电集团的机械工程师。

“沿海地区的高电力需求是海上风电看起来很有吸引力的原因之一;人们倾向于远离陆上风电最强的地方，而城市中没有足够的空间安装太阳能电池板，”Coe说。“此外，海上风能在一天中的不同时间提供电力，而不是太阳能和陆上风能。”

然而，Ennis补充说，浮动海上风电也有其自身的挑战。主要是，支撑风力涡轮机并在它们出海时对其进行维护非常昂贵。他说，能源部高级研究计划署能源计划的一个目标是优化浮动风力涡轮机、平台和控制系统的设计，以最大限度地提高功率输出，同时最大限度地降低成本。

“对我们来说，问题变成了我们如何在最大限度地提高能量捕获的同时从系统中消除质量和成本，这就是我们获得创新、无塔、垂直轴设计的地方，”恩尼斯说。

今天的大多数风力涡轮机都基于一个高塔，三个叶片转动一个水平轴，该轴在涡轮机机舱中的叶片后面转动发电机，涡轮机顶部的盒子包含转子和其他重要部件。但这不是设计风力涡轮机的唯一方法，Ennis说。一些涡轮机具有由垂直轴支撑的两个或多个叶片，叶片下方有发电机。这种设计称为Darrieus垂直轴风力涡轮机，其重心较低，重量也比传统风力涡轮机轻，Ennis说，但其主要挑战之一是很难保护涡轮机免受极端风的影响。

对于传统的水平轴风力涡轮机，叶片可以旋转以避开强烈的破坏性风，但Darrieus设计可以捕捉来自各个方向的风。恩尼斯说，桑迪亚的设计用拉紧的拉线代替了垂直塔。这些电线可以缩短或加长，以适应不断变化的风力条件，从而在控制应变的同时最大限度地捕获能量。此外，用电线代替轴可以进一步减轻涡轮机的重量，使浮动平台更小、更便宜。

桑迪亚国家实验室的海上风电创新设计：没有重型塔架，取而代之的是用拉线拉紧风力叶片。图片来源：BrentHaglund/桑迪亚国家实验室

设计工具的开发和验证

桑迪亚风电集团的机械工程师KevinMoore和团队的其他成员在桑迪亚工程师BrianOwens早期工作的基础上开发了垂直轴风力涡轮机设计工具。Coe和风电集团的另一位机械工程师MichaelDevin也参与了这项工作。该团队致力于集成物理算法，同时提高算法的准确性和速度。

摩尔还领导了使用桑迪亚公司在80年代建造的陆基34米直径垂直轴风力涡轮机的数据验证设计工具的工作。

“在进行验证工作时，看到传统设计师的设计质量和创新令人惊叹，”摩尔说。“在利用现代计算资源的同时站在巨人的肩膀上是一种荣幸。”

恩尼斯说，桑迪亚团队验证设计工具的原因之一是，它最终可用于验证垂直轴风力涡轮机设计是否符合相关设计标准。

“现在，如果一家公司想要认证垂直轴风力涡轮机，没有值得信赖的设计工具，因此该过程存在很多不确定性，”Ennis说。“对我们而言，能够提供值得信赖的设计工具意味着认证机构将更愿意批准垂直轴风力涡轮机设计，这对于融资及其最终部署是必要的。”

优化涡轮机设计

现在，该团队可以开始设计浮动的垂直轴风力涡轮机系统。Ennis说，该设计工具可用于对任何垂直轴风力涡轮机进行建模和优化，无论是传统的塔架还是拉紧的拉线。该团队正在使用一种称为控制协同设计的过程来寻找最具成本效益的浮动垂直轴风力涡轮机系统设计和控制。

“我们正在设计整个系统、涡轮机和平台及其控制，同时降低能源的平准化成本，而不仅仅是涡轮机本身的成本，”Ennis说。“通常，一家公司设计涡轮机，另一家公司为该固定涡轮机设计设计浮动平台，然后第三家公司将其与其他系统一起安装以制造海上风力发电厂;你最终得到的结果是成本。”

Ennis说，该团队希望在今年年底前优化浮动垂直轴风力涡轮机系统设计，但如果没有他们新的专业软件，该项目是不可能实现的。

“就集成所有这些不同功能的方式而言，这是一个简洁的工具，”Coe说。“我们能够链接为垂直轴风力涡轮机的空气动力学和结构动力学建模而开发的工具——桑迪亚一直处于领先地位的领域——并将其与流体动力学相结合，使其更适合设计优化。”