漂浮的风力涡轮机可以升到很高的高度

石油和天然气公司 O Royal Dutch Shell 和西班牙电力公司 Iberdrola 的子公司 Scottish Power 发布了一项公告。他们说，他们共同向英国当局提交了在苏格兰海岸附近建造世界上第一套大型浮动风电场的建议。目前，最大的浮动农场是一个 6 涡轮机，50 阵列，将于下个月在距离阿伯丁 15 公里的北海完工。相比之下，该财团表示正在考虑千兆瓦 ( )。以海床为基础的海上风电场现在已成为多个地方能源结构的一部分。在过去四年中，他们的产能几乎翻了一番，从 19 增加到 35，摊销成本下降了三分之一，从每小时 120 美元降至 80 美元。然而，它们的部署能力有限，仅限于浅于约 60 米的水域。不幸的是，世界上 80% 的海上风吹过比这更深的地方。国际能源署表示，让这些设施变得可及，将释放足够的电力，以满足 2040 年世界可能的电力需求 11 倍。诀窍是建造涡轮机，虽然停泊在海床上，但会漂浮。如果壳牌和苏格兰电力能够成功实现这一目标，那将是朝着挖掘潜力迈出的一大步。十年前，浮动涡轮技术是一个边缘事件。困难不在于涡轮机本身，而在于使它们漂浮。自 1960 年代以来，石油和天然气行业开发了一系列浮动基础，可以使钻井平台等巨大物体在海上保持稳定。但是，将这种专业知识转移到风力发电上并不容易。首先，与石油钻井平台不同，风力涡轮机瘦长且头重脚轻，容易翻倒。其次，涡轮机会产生强大的陀螺力，这会进一步破坏漂浮机器的稳定性。在那些日子里，很难看到如何以足够便宜的方式解决这些问题，以与用螺栓固定在海底的涡轮机竞争——更不用说传统能源了。不再。十年的发展产生了两件事：证明涡轮机可以漂浮和清楚地了解这些漂浮装置的外观。工程师通过患者原型设计实现了这一点。他们采用了先前在大学波浪池中测试过的设计，并将它们放大到挪威、葡萄牙和日本沿海的小型示范单位。每个单元都配备了传感器，收集了诸如俯仰、风速和波浪高度等变量的数据。然后将这些数据折叠到设计中，以获得更大、更稳定的单元。结果，今天在挪威和葡萄牙海岸附近的新模型中可见，可以安全地漂浮比其前辈强大四倍的涡轮机。因此，工程师认为浮选问题已解决。 “涡轮机运行良好。他们不翻转。这是可以做到的，”该领域的先驱阿拉·温斯坦 (Alla Weinstein) 说，他现在正在为加利福尼亚海岸附近的浮动风电场申请许可证。出现了四种浮选方法（见图）。最常见的是半潜式。一家美国公司 Principle Power 是一家追求这一目标的公司。半潜式有多种设计。 Principle's 使用了一个有浮力的钢三角形，在两个顶点处有一个装满水的罐子。这些压载舱平衡了第三个顶点处涡轮机的重量，在三角形内部泵送水以降低其稳定性。

挪威公司 Equinor 所追求的第二个方法是将涡轮机固定在一个装满重压载物的称为翼梁的瓶子上，使其直立漂浮。 Equinor 将涡轮机放置在 80 米高的混凝土管上，该管内装有水、岩石或其他一些廉价而沉重的材料。另外两种方法不太发达，但可能证明是有用的。 Glosten 是一家与通用电气建立合作伙伴关系的美国工程公司，它使用的是张力腿平台。这是一个海星形状的钢结构，其轮毂处装有涡轮机。海星被淹没并用电缆连接到海底。这种布置类似于在墨西哥湾钻探的超深水 Magnolia 钻井平台，使涡轮机保持直立。挪威公司 Ideol 将涡轮机安装在类似于空相框的扁平混凝土或钢驳船上。当涡轮机摆动时，水会在框架内晃动，从而抑制其运动。该公司声称，其原型机位于日本沿海，已经在三场台风中幸存下来。项目开发人员已经看到了足够的东西来说服他们。尽管壳牌-苏格兰电力财团的提议（没有提及首选技术方法）是迄今为止最雄心勃勃的，但它们并不是第一个。除了由使用 Principle 设计的西班牙建筑公司 Grupo Cobra 拥有的 Aberdeen 附近的 50 阵列外，Equinor 还开始建设一个 11 个单元、88 个项目，该项目将为一组北海钻井平台提供动力。法国石油和天然气公司道达尔和麦格理银行的项目开发部门绿色投资集团打算到 2023 年开始在韩国海岸附近的一个 500 浮式风电项目的工作——尽管他们也已经尚未具体说明他们计划使用哪种技术。更大的农场显然需要更多的涡轮机。但理想情况下，它们也需要更大的涡轮机。涡轮机越大，维护起来就越困难。风力涡轮机有时需要更换大部件，如叶片或发电机。这在土地上是具有挑战性的。但是在陆地上，起重机可以靠着地面支撑自己。在海上，“自升式”船只通过将钢腿放到海床上来实现类似的稳定性。然而，浮动涡轮机将在自升式船只无法工作的太深水域中运行，因此任何为它服务的船只本身都必须保持漂浮。 Equinor 的项目总监 Olav-Bernt Haga 说：“你有两个正在移动的结构，你要把载荷从这些移动结构中的一个转移到另一个。”这在技术上要求很高，因此很难廉价地做到。一个名为浮风联合产业项目 ( ) 的小组认为这是一个紧迫的问题，该小组的工作是标记集体利益的问题。该小组由 17 名项目开发商和位于英国的非盈利咨询机构 Carbon Trust 组成。去年发表的一项分析称，风力涡轮机已接近海上处理能力的物理极限。石油工业有许多在深水中工作的重型起重船。但是这些是针对重量而不是高度进行了优化，并且租用成本很高。浮动风电行业需要新的答案，否则它可能会发现自己在字面上和隐喻上都受到阻碍。幸运的是，前景正在发展。他们对这个问题采取了两种广泛的方法：举重和攀爬。前者的一个例子是荷兰公司 Heavy Lift，该公司已开始建造 010，这是一艘专门用于海上风电维护的船只。任何在浮动风力涡轮机上工作的人都必须与波浪作斗争。表面的轻微膨胀可能会导致危险的扫掠。 -010 将通过使用运动补偿软件将起重机吊钩的位置稳定在 5 厘米以内来消除这种摇摆的影响。即使该钩子高于海平面 150 米，这也有效。不过，此类船只的起价约为 2.5 亿美元。仅成本就意味着该行业将不得不共享少量船舶，从而成为增长的瓶颈。这就是为什么有些人建议停止接近涡轮机，而是开始攀爬它们。

攀爬起重机在它们正在建造的物体上快速爬升，通常用于在陆地上架起摩天大楼。它们在海上未经证实，但有几个团体正在开发可能适合浮动风力发电的版本。例如，位于英国剑桥的 Wind 公司建议在涡轮机塔架的侧面安装轨道。这将让一艘船靠边停靠，在轨道上放置一辆维修车，从而在塔上上下移动大部件。其他人建议从涡轮机本身提升。大多数涡轮机都有一个用于轻型物品的小型起重机。丹麦公司 Liftra 使用它来提升越来越大的起重机。最大的尺寸适合标准的 40 英尺（12.2 米）集装箱。该公司声称，一旦用螺栓固定，该装置与传统的外部起重机一样强大。或者，正如荷兰承包商 Conbit 所建议的那样，将一些金属部件和电缆拉到塔顶，就可以在涡轮机的顶部临时建造重型起重机。这些技术都没有超出原型阶段。但它们可能对明天的大型涡轮机很有价值，无论它们是固定的还是浮动的。然而，对于浮动涡轮机，可能存在替代方案。与固定式涡轮机不同，它们可以拔下插头并拖到岸上。由最近发起的分析表明，在个别情况下最好的可能取决于位置。如果浮动涡轮机靠近岸边，最容易将其拖回港口进行维修。如果距离很远，像 -010 或攀爬起重机这样的奇特小工具可能会更好地工作。所有这一切的结果是，很快就有可能从风中提取更多电力，而无需用涡轮机覆盖山坡，并在这样做的同时获利。这足以让任何人的风帆风帆。 ■ 这篇文章出现在印刷版的科技版块，标题为“漂浮的风力涡轮机可以上升到很高的高度”