Brandon Ennis, responsabile tecnico eolico offshore dei Sandia National Laboratories, ha avuto un'idea radicalmente nuova per le turbine eoliche offshore:invece di una torre alta e ingombrante con pale in cima, ha immaginato una turbina senza torre con pale tese come un arco.

Questo progetto consentirebbe di posizionare l'enorme generatore che crea elettricità dalle pale rotanti più vicino all'acqua, invece che sulla cima di una torre a 500 piedi sopra. Ciò rende la turbina meno pesante in alto e riduce le dimensioni e il costo della piattaforma galleggiante necessaria per mantenerla a galla. Sandia ha depositato una domanda di brevetto per il design nel 2020.

Tuttavia, prima che potesse mettere in moto la sua idea, il team aveva bisogno di costruire un software in grado di modellare la risposta della turbina e della piattaforma galleggiante alle diverse condizioni del vento e del mare per determinare la progettazione ottimale dell'intero sistema.

Ora, il team Sandia dispone di uno strumento di progettazione funzionale, o "tavola da disegno", e può iniziare a progettare e ottimizzare il proprio sistema di turbine eoliche galleggianti più leggere.

"Per progettare il nostro sistema di turbine eoliche galleggianti, avevamo bisogno di uno strumento di progettazione in grado di simulare il vento, le onde, l'elasticità delle pale, il movimento della piattaforma e i controller", ha affermato Ennis. "Ci sono alcuni strumenti che possono fare parte di ciò di cui abbiamo bisogno, ma senza tutte le pertinenti dinamiche di accoppiamento a due vie per la progettazione e l'ottimizzazione di questo tipo di turbina eolica. È stata una grande impresa, ma era essenziale. Non si può" t essere un'industria di turbine eoliche ad asse verticale galleggiante senza uno strumento affidabile come questo."

Turbine più leggere ed economiche per l'eolico offshore

Gran parte del vento offshore degli Stati Uniti soffia sull'acqua a più di 200 piedi di profondità. A quelle profondità, sarebbe molto costoso costruire le strutture di supporto rigide tipicamente utilizzate dalle turbine eoliche. Tuttavia, le turbine eoliche che possono galleggiare sul fondo del mare potrebbero svolgere un ruolo importante nella diversificazione delle nostre fonti di energia rinnovabile e nel migliorare la stabilità della rete mentre le città e gli stati si avvicinano al raggiungimento dei loro obiettivi di emissioni nette zero, ha affermato Ryan Coe, ingegnere meccanico nel gruppo idroelettrico di Sandia.

"L'elevata domanda elettrica sulle coste è una delle ragioni per cui l'eolico offshore sembra attraente; le persone tendono a vivere lontano da dove il vento terrestre è più forte e non c'è abbastanza spazio nelle città per i pannelli solari", ha affermato Coe. "Inoltre, l'eolico offshore fornisce energia in diversi momenti della giornata rispetto al solare e all'eolico onshore."

Tuttavia, l'eolico offshore galleggiante presenta le sue sfide, ha aggiunto Ennis. Soprattutto, è molto costoso sostenere le turbine eoliche e mantenerle quando sono in mare aperto. L'obiettivo di un programma dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata dell'energia del Dipartimento per l'energia è ottimizzare la progettazione di turbine eoliche galleggianti, piattaforme e sistemi di controllo per massimizzare la produzione di energia riducendo al minimo i costi, ha affermato.

"Per noi la domanda diventa come rimuovere massa e costi dal sistema massimizzando la cattura di energia, ed è qui che abbiamo ottenuto il nostro design innovativo, senza torri, ad asse verticale", ha affermato Ennis.

La maggior parte delle turbine eoliche oggi si basano su un'alta torre con tre pale che ruotano su un albero orizzontale che aziona un generatore dietro le pale nella gondola della turbina, la scatola nella parte superiore della turbina che contiene il rotore e altri componenti importanti. Ma questo non è l'unico modo per progettare una turbina eolica, ha detto Ennis. Alcune turbine hanno due o più pale sostenute da un albero verticale con un generatore sotto le pale. Questo progetto, chiamato turbina eolica ad asse verticale Darrieus, ha un baricentro più basso e può pesare meno di una turbina eolica tradizionale, ha detto Ennis, ma una delle sue sfide principali è che è difficile proteggere la turbina dai venti estremi.

Per le tradizionali turbine eoliche ad asse orizzontale, le pale possono ruotare lontano da venti intensi e dannosi, ma il design Darrieus cattura il vento da ogni direzione. Il design Sandia sostituisce la torre verticale centrale con tiranti tesi, ha detto Ennis. Questi cavi possono essere accorciati o allungati per adattarsi alle mutevoli condizioni del vento per massimizzare la cattura di energia controllando la deformazione. Inoltre, la sostituzione dell'albero con i cavi riduce ulteriormente il peso della turbina, consentendo alla piattaforma galleggiante di essere ancora più piccola e meno costosa.

Sviluppo e convalida dello strumento di progettazione

Kevin Moore, un ingegnere meccanico nel gruppo di energia eolica di Sandia, e il resto del team si sono basati sul lavoro precedente dell'ingegnere di Sandia Brian Owens per sviluppare lo strumento di progettazione delle turbine eoliche ad asse verticale. Ci hanno lavorato anche Coe e Michael Devin, un altro ingegnere meccanico del gruppo eolico. Il team ha lavorato all'integrazione di algoritmi fisici, migliorando al contempo la precisione e la velocità degli algoritmi.

Moore ha anche guidato gli sforzi per convalidare lo strumento di progettazione utilizzando i dati di una turbina eolica terrestre ad asse verticale di 34 metri di diametro costruita da Sandia negli anni '80.

"Mentre lavoravamo allo sforzo di convalida, è stato sorprendente vedere la qualità del design e l'innovazione dei designer legacy", ha affermato Moore. "È un privilegio stare sulle spalle di giganti sfruttando le moderne risorse computazionali."

Uno dei motivi per cui il team di Sandia sta convalidando lo strumento di progettazione è che alla fine possa essere utilizzato per certificare i progetti di turbine eoliche ad asse verticale secondo gli standard di progettazione pertinenti, ha affermato Ennis.

"In questo momento, se un'azienda vuole certificare una turbina eolica ad asse verticale, non esiste uno strumento di progettazione affidabile, quindi c'è molta incertezza in quel processo", ha affermato Ennis. "Per noi essere in grado di fornire uno strumento di progettazione affidabile significa che gli organismi di certificazione sarebbero più disposti ad approvare i progetti di turbine eoliche ad asse verticale, necessarie per il finanziamento e la loro implementazione definitiva."

Realizzare un design ottimizzato della turbina

Ora, il team può iniziare a progettare il sistema di turbina eolica galleggiante ad asse verticale. Lo strumento di progettazione può essere utilizzato per modellare e ottimizzare qualsiasi turbina eolica ad asse verticale, indipendentemente dal fatto che abbia una torre tradizionale o tiranti tesi, ha affermato Ennis. Il team sta utilizzando un processo chiamato co-design del controllo per trovare la progettazione e il controllo del sistema eolico galleggiante ad asse verticale più conveniente.

"Stiamo progettando l'intero sistema, la turbina e la piattaforma e il loro controllo, contemporaneamente per ridurre il costo dell'energia livellato, non solo il costo della turbina stessa", ha affermato Ennis. "Normalmente una società progetterà la turbina, un'altra società progetta la piattaforma galleggiante per quel progetto di turbina fissa, e poi una terza società la installa con altri sistemi per realizzare un impianto eolico offshore; e alla fine ottieni quello che ottieni in termini di costo."

Il team spera di avere un progetto ottimizzato di un sistema eolico galleggiante ad asse verticale entro la fine dell'anno, ha affermato Ennis, ma il progetto non sarebbe stato possibile senza il loro nuovo software specializzato.

"Questo è uno strumento accurato in termini di modo in cui integra tutte queste diverse capacità", ha affermato Coe. "Siamo stati in grado di collegare gli strumenti sviluppati per modellare l'aerodinamica e la dinamica strutturale delle turbine eoliche ad asse verticale, aree in cui Sandia è sempre stata leader, e combinarle con l'idrodinamica e renderle più adatte all'ottimizzazione del design". + Esplora ulteriormente

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