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2024-03-26 12:49

六种创新的方式漂浮摩天大楼大小的风力涡轮机

是的,你读的是右浮动。你以前可能在海上见过风力涡轮机,但你看到的很可能是“固定”涡轮机——也就是说,安装在海底钻成的地基上的涡轮机。对于海上风力发电的新领域,重点是浮式风力涡轮机。在这种情况下,涡轮机由漂浮的结构支撑,这些结构随着波浪和风的变化而摆动,并用链条系住并锚定在海底。

这正成为该行业关注的焦点,原因很简单,因为大多数风都吹在深水上方,而在深水上方建造固定平台过于昂贵或根本不可能。设计这些新的浮动平台是一个真正的工程挑战,也是我学术研究的重点。

这些风力涡轮机是巨大的,高达240米,大约是摩天大楼的大小。由于它们如此之高,海面以上的强风往往会使涡轮机倾斜,因此平台设计的重点是最小化这种倾斜,同时仍然具有与其他形式的能源的成本竞争力。

关于平台设计的想法有100多种,但我们可以将它们大致分为以下6类:

1. 争吵

Rendering of spar turbine design

桅杆是又窄又深的平台,底部加了重量来抵消风力(这被称为“压舱物”)。它们通常相对容易制作,因为它们通常只由一个圆柱体组成。

然而,它们可以在水下延伸100米或更多,这意味着它们不能部署在不够深的普通码头上。一旦平台被拖入深水,安装涡轮机需要专业的安装程序。

2. 驳船

Floating wind turbine barge from above

驳船是宽而浅的平台,利用远离结构中心的浮力来抵消塔上的风力。由于它们通常在水下延伸不到10米,因此不需要任何专门的深水码头或安装船。

然而,由于平台通常是一个具有复杂形状的单一大型单元,因此它们很难制造。

3. 张力腿平台

Diagram of floating wind turbine

张力腿平台(张力腿平台)使用绷紧的系泊线将平台连接到海底,并阻止涡轮机在风中倾斜。

这些平台通常比其他类型的平台更小更轻,这使得它们更容易安装在标准端口上。此外,它们在海床上的“足迹”也很小,因为这些线很紧。

然而,平台在连接到系泊线之前通常是不稳定的,这意味着需要特殊的牵引和安装解决方案。

4. 半潜式

半潜式潜艇由三个、四个或五个相连的垂直圆柱体组成,涡轮机位于其中一个圆柱体的中间或上方。平台利用远离中心的浮力(类似于驳船)和每根柱子底部的压舱物(类似于桅杆)。

Image of floating wind turbine

像驳船一样,半潜船不需要专门的拖出设备,可以在很宽的水深范围内工作。制造业又是一个挑战。

5. 复合式

上述四种类型是更“传统”的平台,受到油气行业前辈的影响。自20世纪60年代以来,浮动平台意味着巨大的石油钻井平台可以进入更深的水域(最深的超过2000米)。大多数深水石油钻井平台都是半潜式的,用链条固定在海床上,或者是用绷紧的电缆连接在海床上的张力腿平台。

Floating oil platform from above

最近,有一种趋势是更专门的漂浮风平台。具体地说,有些使用了稳定性机制的组合,利用了之前每种设计的优点。

Diagram of floating wind turbine

例如,“可降低压载物”平台看起来像传统的半潜式或驳船平台,但其重量悬挂在拉紧的电缆上。

在港口安装涡轮机和拖出期间,重量增加,因此可以使用传统的(非深)码头,不需要专业设备。在安装现场,重量降低,平台从低质量中心获得额外的稳定性。

其他设计利用了紧系缆绳(类似于张力腿平台)的稳定性优势,但在拖出过程中保持稳定,因此不需要特殊的安装船。如下图为X1 Wind平台:

Diagram of floating wind turbine

绷紧的系泊线连接在一根柱子上,柱子最初安装。平台的其余部分是自稳定的,然后将其拖出,并通过绷紧的系泊线连接到预安装的柱上。该平台利用系泊线的额外稳定性,但没有张力平台典型的拖出不稳定性。

6. 混合平台

Floating wind turbine

这些平台增加了另一种可再生能源,最常见的是波浪能转换器。这增加了总发电量,并降低了成本,因为电力电缆、维护和其他基础设施可以共享。

波浪能量转换器还可以减少平台运动,从而提高涡轮机的功率性能。

改进的空间

目前已经建成了四个浮动海上风力发电场,其中最大的一个于2023年在挪威海岸开放。其中两个农场使用了Hywind梁式设计,两个使用了WindFloat半潜式设计。

目前已经有18种其他平台设计达到海上测试,包括上述每种类别的至少一种。一些公司计划在未来几年内建造浮动农场,还有一些早期设计公司计划在不久的将来部署自己的原型设备。

有趣的是,平台实际上在设计上是有分歧的。经过多年的发展,风力涡轮机大多都趋向于你今天所看到的三叶片设计,但在“最佳”浮动平台的共识上还没有这样的趋同。这表明仍有可能进行重大改进,特别是在减少运动和降低成本方面。

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