Ветряные турбины в экстремальных погодных условиях: решения для обеспечения устойчивости к ураганам

Морские ветряные турбины на атлантическом побережье (а также в Мексиканском заливе) сталкиваются с рядом проблем, включая ураганы. Министерство энергетики разрабатывает инструменты, которые помогут проектировщикам ветряных систем снизить риск для морских ветряных турбин, расположенных в районах с экстремальными погодными условиями.

Как отмечалось ранее в этой серии блогов, 13 000 мегаватт оффшорной ветряной электростанции используется во всем мире, однако в США действует только одна коммерческая оффшорная ветряная электростанция. В первом блоге объяснялось, что технологические достижения в плавучих фундаментах необходимы для того, чтобы сделать морскую ветроэнергетику экономически целесообразной в глубоких водах у тихоокеанского побережья США, а также у берегов штата Мэн и Гавайев.

Это может быть одной из причин, по которой наиболее краткосрочное развитие оффшорной ветроэнергетики планируется на восточном побережье от Массачусетса до Северной Каролины, где значительная часть оффшорных ветровых ресурсов связана с водой, достаточно мелкой для фундаментов с неподвижным дном. Однако морские ветряные турбины на атлантическом побережье (а также в Мексиканском заливе) сталкиваются с другой проблемой: ураганами, которые мы рассмотрим ниже.

Что слишком ветрено?

Недавние ураганы Ирма и Мария нанесли большой ущерб инфраструктуре, в том числе энергетической. Ветряные турбины, будь то наземные или морские, имеют встроенные механизмы для блокировки и оперения лопастей (уменьшая площадь поверхности, направленной против ветра), когда скорость ветра превышает 55 миль в час. По сути, ветряная турбина находится в «режиме выживания», ожидая, пока стихнет шторм, чтобы безопасно вернуться к производству энергии.

В море штормы могут быть еще сильнее. В дополнение к ветру, ударяющему по турбине, фундамент турбины также должен бороться с большими мощными волнами. Инженеры, проектирующие системы ветряных турбин, используют модели, чтобы понять, как различные нагрузки, такие как ветер и волны, будут влиять на ветряную турбину и ее фундамент. Модели, которые они используют, нуждаются в дальнейшей доработке для прогнозирования нагрузки на турбину в экстремальных условиях.

Министерство энергетики ранее финансировало работу в этой области через Национальную лабораторию возобновляемых источников энергии (NREL). NREL, работающая с Университетом Майами, соединила свое существовавшее ранее программное обеспечение для моделирования ветряных турбин (называемое FAST) с моделью прогноза атмосферы, волн и океана. Он используется для исследования и прогнозирования ураганов для создания нового «совмещенного гидроаэродинамического интерфейса для штормовых сред». Этот инструмент помогает разработчикам ветряных систем снизить риск для морских ветряных турбин, расположенных в районах с экстремальными погодными условиями.

Оффшорные ветроэнергетики уже были предложены в подверженных ураганам регионах Соединенных Штатов.Фактически, исследовательские приоритеты нового консорциума исследований и разработок морской ветроэнергетики, который будет финансироваться Министерством энергетики, могут включать сосредоточение внимания на улучшении понимания экстремальных метео-океанских условий, таких как те, которые возникают во время ураганов, для лучшего прогнозирования возможных режимов отказа турбин, работающих в этих условиях. областей, что привело к принятию более надежных инженерных решений.

Проектирование систем, устойчивых к ураганам

Хотя в настоящее время данные ограничены из-за небольшого количества развертываний, фундамент с витой оболочкой, обсуждавшийся в предыдущем блоге этой серии, может быть многообещающей конструкцией для районов, подверженных ураганам. Фундамент такого типа, используемый нефтегазовой промышленностью, выдержал прямое попадание урагана Катрина (5-й категории) в 2005 году и остался невредимым.

В другом проекте, финансируемом Министерством энергетики, NREL спроектировала и проанализировала гипотетическую морскую ветряную электростанцию ​​мощностью 500 МВт, которая будет развернута на глубине 25 метров (более 80 футов) в Мексиканском заливе. Некоторые из особенностей этой гипотетической ветровой электростанции включают фундамент с витой оболочкой от Keystone Engineering и изготовленный на заказ легкий генератор с прямым приводом от Siemens.

Возможно, самым удивительным компонентом этой системы является ротор, разработанный Wetzel Engineering. Чтобы оптимизировать проект с точки зрения устойчивости к ураганам и структурной эффективности, ветряные турбины используют ориентацию по ветру, в отличие от конструкции против ветра, используемой сегодня практически во всех ветряных турбинах коммунального масштаба. В турбинах против ветра используется флюгер и привод рыскания, чтобы постоянно поворачивать верхнюю часть турбины лицом к ветру. Подветренная турбина избегает этих компонентов и позволяет ветру уносить лопасти от башни. Это позволяет лопастям быть более гибкими и позволяет им изгибаться при сильном ветре без риска удара о башню, тем самым снижая риск повреждения конструкции во время урагана.

Хотя ураганы и ущерб, который они могут причинить, по-прежнему трудно предсказать, с текущими исследованиями и разработками Министерство энергетики предпринимает шаги для снижения потенциальных рисков для морских ветровых систем, которые в конечном итоге будут развернуты в юго-восточных и среднеатлантических регионах.