Brandon Ennis, de technische leider van Sandia National Laboratories voor offshore wind, had een radicaal nieuw idee voor offshore windturbines:in plaats van een hoge, logge toren met bladen aan de bovenkant, stelde hij zich een torenloze turbine voor met bladen die strak werden getrokken als een boog.

Dit ontwerp zou het mogelijk maken om de enorme generator die elektriciteit opwekt uit draaiende bladen dichter bij het water te plaatsen, in plaats van op de top van een toren, 500 voet erboven. Dit maakt de turbine minder topzwaar en vermindert de omvang en kosten van het drijvende platform dat nodig is om het drijvend te houden. Sandia heeft in 2020 een patentaanvraag ingediend voor het ontwerp.

Voordat hij zijn idee echter in gang kon zetten, moest het team software bouwen waarmee de reactie van de turbine en het drijvende platform op verschillende wind- en zeecondities kon worden gemodelleerd om het optimale ontwerp van het hele systeem te bepalen.

Nu heeft het Sandia-team een ​​functionele ontwerptool of 'tekenbord' en kan het beginnen met het ontwerpen en optimaliseren van hun lichtere drijvende windturbinesysteem.

"Om ons drijvende windturbinesysteem te ontwerpen, hadden we een ontwerptool nodig die de wind, golven, bladelasticiteit, platformbeweging en de controllers kan simuleren," zei Ennis. "Er zijn een paar tools die kunnen doen wat we nodig hebben, maar zonder alle relevante tweerichtingsgekoppelde dynamiek voor het ontwerp en de optimalisatie van dit soort windturbines. Het was een grote onderneming, maar het was essentieel. Dat kan' geen drijvende windturbine-industrie met verticale as zijn zonder een vertrouwd hulpmiddel als dit."

Lichtere, goedkopere turbines voor offshore wind

Een groot deel van de offshore wind van de VS waait over water van meer dan 200 voet diep. Op die diepten zou het erg duur zijn om de stijve steunconstructies te bouwen die typisch door windturbines worden gebruikt. Windturbines die boven de zeebodem kunnen drijven, kunnen echter een belangrijke rol spelen bij het diversifiëren van onze bronnen van hernieuwbare energie en het verbeteren van de stabiliteit van het net naarmate steden en staten dichter bij het bereiken van hun netto-nul-emissiedoelstellingen komen, zei Ryan Coe, een werktuigbouwkundig ingenieur in Sandia's waterkrachtgroep.

"De grote vraag naar elektriciteit aan de kusten is een van de redenen waarom offshore wind er aantrekkelijk uitziet:mensen hebben de neiging om ver weg te wonen van waar de wind op land het sterkst is en er is niet genoeg ruimte in steden voor zonnepanelen," zei Coe. "Bovendien levert wind op zee op andere tijdstippen van de dag stroom dan wind op zee en wind op land."

Drijvende offshore wind heeft echter zijn eigen uitdagingen, voegde Ennis eraan toe. Het is vooral erg duur om de windturbines te ondersteunen en te onderhouden als ze op zee zijn. Het doel van een Department of Energy Advanced Research Project Agency-Energy-programma is om het ontwerp van drijvende windturbines, platforms en controlesystemen te optimaliseren om het vermogen te maximaliseren en tegelijkertijd de kosten te minimaliseren, zei hij.

"Voor ons wordt de vraag hoe we massa en kosten uit het systeem kunnen verwijderen en tegelijkertijd de energieopname kunnen maximaliseren, en dat is waar we ons innovatieve, torenloze ontwerp met verticale as hebben gekregen," zei Ennis.

De meeste windturbines zijn tegenwoordig gebaseerd op een hoge toren met drie bladen die een horizontale as draaien die een generator aandrijft achter de bladen in de gondel van de turbine, de doos aan de bovenkant van de turbine die de rotor en andere belangrijke componenten bevat. Maar dat is niet de enige manier om een ​​windturbine te ontwerpen, zei Ennis. Sommige turbines hebben twee of meer bladen die worden ondersteund door een verticale as met een generator onder de bladen. Dit ontwerp, een Darrieus windturbine met verticale as genoemd, heeft een lager zwaartepunt en kan minder wegen dan een traditionele windturbine, zei Ennis, maar een van de grootste uitdagingen is dat het moeilijk is om de turbine te beschermen tegen extreme winden.

Bij traditionele windturbines met horizontale as kunnen de bladen wegdraaien van intense, schadelijke winden, maar het Darrieus-ontwerp vangt de wind uit elke richting. Het Sandia-ontwerp vervangt de centrale verticale toren door strakke tuidraden, zei Ennis. Deze draden kunnen worden ingekort of verlengd om zich aan te passen aan veranderende windomstandigheden om de energieopname te maximaliseren en tegelijkertijd de belasting te beheersen. Bovendien vermindert het vervangen van de as door draden het gewicht van de turbine nog meer, waardoor het drijvende platform nog kleiner en goedkoper kan zijn.

Ontwikkeling en validatie van ontwerptool

Kevin Moore, een werktuigbouwkundig ingenieur in Sandia's windenergiegroep, en de rest van het team bouwden voort op eerder werk van Sandia-ingenieur Brian Owens om de ontwerptool voor windturbines met verticale as te ontwikkelen. Coe en Michael Devin, een andere werktuigbouwkundige in de windenergiegroep, werkten er ook aan. Het team werkte aan de integratie van natuurkundige algoritmen en verbeterde tegelijkertijd de nauwkeurigheid en snelheid van de algoritmen.

Moore leidde ook de inspanningen om de ontwerptool te valideren met behulp van gegevens van een windturbine op het land met een diameter van 34 meter en een verticale as, gebouwd door Sandia in de jaren '80.

"Terwijl we aan de validatie-inspanningen werkten, was het geweldig om de ontwerpkwaliteit en innovatie van de oude ontwerpers te zien," zei Moore. "Het is een voorrecht om op de schouders van reuzen te staan ​​en tegelijkertijd gebruik te maken van moderne computerbronnen."

Een van de redenen waarom het Sandia-team de ontwerptool valideert, is dat deze uiteindelijk kan worden gebruikt om ontwerpen van windturbines met verticale as te certificeren volgens de relevante ontwerpnormen, zei Ennis.

"Als een bedrijf op dit moment een windturbine met verticale as wil certificeren, is er geen vertrouwde ontwerptool, dus er is veel onzekerheid in dat proces", zei Ennis. "Omdat we een betrouwbaar ontwerptool kunnen bieden, betekent dit dat de certificeringsinstanties meer bereid zijn om windturbineontwerpen met verticale as goed te keuren, wat nodig is voor de financiering en de uiteindelijke implementatie ervan."

Een geoptimaliseerd turbineontwerp ontwikkelen

Nu kan het team beginnen met het ontwerpen van het drijvende windturbinesysteem met verticale as. De ontwerptool kan worden gebruikt om elke windturbine met verticale as te modelleren en te optimaliseren, of deze nu een traditionele toren heeft of strakke tuidraden, zei Ennis. Het team gebruikt een proces genaamd control co-design om het meest kosteneffectieve ontwerp en de controle van het windturbinesysteem met drijvende verticale as te vinden.

"We ontwerpen het hele systeem, de turbine en het platform en hun controle, tegelijkertijd om de genivelleerde energiekosten te verlagen, niet alleen de kosten van de turbine zelf", zei Ennis. "Normaal gesproken ontwerpt het ene bedrijf de turbine, het andere bedrijf ontwerpt het drijvende platform voor dat vaste turbineontwerp, en dan installeert een derde bedrijf dat met andere systemen om een ​​offshore windmolenpark te maken; en je krijgt uiteindelijk wat je krijgt in termen van kosten."

Het team hoopt tegen het einde van het jaar een geoptimaliseerd ontwerp van een drijvend windturbinesysteem met verticale as te hebben, zei Ennis, maar het project zou niet mogelijk zijn geweest zonder hun nieuwe gespecialiseerde software.

"Dit is een handige tool in termen van de manier waarop het al deze verschillende mogelijkheden integreert," zei Coe. "We waren in staat om tools te koppelen die zijn ontwikkeld voor het modelleren van de aerodynamica en structurele dynamiek van windturbines met verticale as - gebieden waar Sandia altijd een leider in is geweest - en deze te combineren met hydrodynamica en deze geschikter te maken voor ontwerpoptimalisatie." + Verder verkennen

Verticale turbines kunnen de toekomst zijn voor windparken