Исследование Сандийской национальной лаборатории сверхмасштабного сегментированного сверхлегкого морфирующего ротора (SUMR) финансируется программой Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики (DOE) — Энергетическая программа. Задача: спроектировать недорогую морскую турбину мощностью 50 МВт, для которой требуется лопасть ротора длиной более 650 футов (200 метров), что в два с половиной раза длиннее, чем у любой существующей ветряной лопасти.Команда, возглавляемая Университетом Вирджинии, включает Сандию и исследователей из Университета Иллинойса, Университета Колорадо, Школы горного дела Колорадо и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.
В число партнеров по корпоративному консультированию входят Dominion Resources, General Electric Co., Siemens AG и Vestas Wind Systems.«В турбинах Exascale используется эффект масштаба», — сказал Тодд Гриффит, конструктор ведущих лопастей проекта и технический руководитель программы Sandia Offshore Wind Energy Program.В предыдущей работе Sandia по системам мощностью 13 МВт использовались 100-метровые лопасти (328 футов), на которых основывались первоначальные конструкции SUMR. Хотя горизонтальная ветряная турбина мощностью 50 МВт намного превосходит любую существующую конструкцию, исследования показывают, что выравнивание нагрузки может значительно снизить пиковые напряжения и усталость лопастей ротора.
Это снижает затраты и позволяет строить лопасти, достаточно большие для системы мощностью 50 МВт.Большинство современных ветряных турбин в США вырабатывают мощность в диапазоне от 1 до 2 МВт с лопастями длиной около 165 футов (50 метров), в то время как самая большая коммерчески доступная турбина рассчитана на 8 МВт с лопастями длиной 262 футов (80 метров).«США обладают огромным потенциалом морской ветроэнергетики, но морские установки стоят дорого, поэтому необходимы более крупные турбины, чтобы улавливать эту энергию по доступной цене», — сказал Гриффит.
Остаются препятствия, прежде чем конструкторы смогут увеличить мощность турбины до 50 МВт, что более чем в шесть раз превышает выходную мощность самых крупных современных турбин.«Обычные лопасти против ветра стоят дорого в производстве, развертывании и обслуживании свыше 10-15 МВт. Они должны быть жесткими, чтобы избежать усталости и исключить риск ударов по башне при сильных порывах ветра.
Эти жесткие лопасти тяжелые, а их масса напрямую зависит от связанных со стоимостью, становится еще более проблематичной в экстремальных масштабах из-за гравитационных нагрузок и других изменений », — сказал Гриффит.Он сказал, что новые лезвия можно было бы проще и экономичнее изготавливать по сегментам, избегая беспрецедентно масштабного оборудования, необходимого для транспортировки и сборки лезвий, построенных как единое целое.Экзадачные турбины должны быть расположены с подветренной стороны, в отличие от обычных турбин, у которых лопасти ротора установлены с наветренной стороны башни.Выравнивание нагрузки SUMR навеяно биологическим движением пальм во время шторма.
Легкий сегментированный ствол напоминает серию цилиндрических корпусов, которые изгибаются на ветру, сохраняя при этом жесткость сегментов. Такое выравнивание радикально снижает массу, необходимую для придания жесткости лопастям, за счет уменьшения усилий, действующих на лопасти, с использованием подхода выравнивания нагрузки, основанного на пальме.Сегментированные лопасти турбины имеют значительное преимущество в частях света, подверженных риску сильных штормов, таких как ураганы, где морские турбины должны выдерживать огромную скорость ветра более 200 миль в час.
Лопасти выравниваются, чтобы уменьшить консольные силы, действующие на лезвие, благодаря шарниру цапфы возле ступицы, который реагирует на изменения скорости ветра.«При опасной скорости ветра лопасти складываются и выровнены по направлению ветра, что снижает риск повреждения.
При более низких скоростях ветра лопасти расширяются больше, чтобы максимизировать выработку энергии». — сказал Гриффит.Переход к экзафлопсным турбинам может стать важным способом достижения цели Министерства энергетики по обеспечению 20% национальной энергии за счет ветра к 2030 году, как подробно изложено в его недавнем отчете Wind Vision.