2023 年 6 月 1 日

 

研究人員正在賦予漂浮式海上風力渦輪機自我監控和自我修復的能力

 

在淺水區，海上風力渦輪機固定在海底。然而，在風力通常更強並且能夠獲得兩倍以上能量的深水區，漂浮式海上風力渦輪機必須繫泊在海洋太深而無法固定結構的海床上。浮動海上風電 (FOSW) 是最有前途的清潔能源技術之一，其潛在市場價值近 160 億美元——但需要科學和技術解決方案來幫助降低開發、部署和維護這些複雜系統的成本。

能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的科學家們正在開發 由光纖電纜組成的傳感技術，這些技術可以安裝在計劃在加利福尼亞海岸外建造的 FOSW 結構上。這將使結構能夠自我監控可能導致昂貴維修的破壞性條件，並且還有助於通過檢測海洋哺乳動物的活動來衡量 FOSW 對它們的影響。 

伯克利實驗室科學家 Yuxin Wu 與來自世界各地的材料科學、工程、地球物理學專家和 FOSW 開發人員合作，目前正致力於開發解決方案，以降低 FOSW 開發和部署的成本，同時最大限度地減少潛在的環境影響。

 

問：擴大浮動海上風電技術的最大障礙是什麼？

吳：到目前為止，FOSW 的部署很少，因為該技術處於開發的早期階段。目前，尚未在 1000 米深度附近的任何地方部署此類系統。我們希望通過共同設計能夠更好地承受惡劣海洋環境和極端天氣事件的結構材料來利用科學創新。我們希望將分佈式光纖傳感添加到 FOSW 系統中，使系統能夠實時自我監控潛在問題，這種能力可以延長系統的使用壽命並降低運營和維護成本。

 

問：您的團隊如何將光纖傳感應用到這些創新中？

吳：光纖電纜有一個玻璃芯，可以讓你以光速發送光信號；當被監測的材料發生任何振動、應變或溫度變化時，該信息將在散射回來的光信號中攜帶。當連接到或嵌入風力渦輪機結構時，這會賦予它一個“神經系統”，使其能夠“聽到”和“感覺”。該光纖能夠監測周圍的聲學信號，例如鯨魚的叫聲，這可以幫助科學家評估 FOSW 操作對大型海洋哺乳動物的潛在影響。 

我們一直在測試將這種傳感技術部署到結構部件（例如塔和渦輪機）以監測結構本身所經歷的物理和機械條件，例如溫度或應變。到目前為止，我們的研究重點是測試塔架和齒輪箱上的光纖，這是一些最昂貴的組件，在損壞導致問題之前識別損壞是有好處的。

 

問：材料科學對於降低浮動海上風電系統的成本有多重要？

Wu：通過實時揭示 FOSW 系統內發生的事情，光纖傳感為我們提供了在系統級開發更具彈性、更具成本效益的材料所需的知識。以更低的成本設計 FOSW 系統並承受惡劣的海洋環境需要尖端材料科學與計算科學相結合，以生產更好的材料並有效地模擬材料的性能。可以開發材料以賦予結構自愈能力；例如，海水侵入混凝土裂縫會引發反應，無需干預即可密封裂縫。

我們正在與材料科學和從分子到結構尺度的模擬專家合作，為未來的深水漂浮系統帶來巨大潛力的創新，因為它們具有巨大的成本節約潛力、本地可生產性、更好的性能和環境可持續性。伯克利實驗室的 DOE 用戶設施，例如分子鑄造廠、先進光源和國家能源研究科學計算中心，在促進我們的研究創新方面發揮著關鍵作用。

 

以更低的成本設計 FOSW 系統並承受惡劣的海洋環境需要尖端材料科學與計算科學相結合，以生產更好的材料並有效地模擬材料的性能。

– 吳宇新

 

問：這些系統位於離岸很遠的地方，因此很難進行維護。當人們不在附近監控操作時，技術如何幫助跟踪和預測他們的表現？

Wu：數字孿生是使用高級計算機建模製作的結構的表示，通常與實時監測數據相結合，科學家可以使用這些數據來控制、模擬和監測 FOSW 系統如何響應不同的天氣或海洋條件。例如，我們可以模擬颶風的情況，並準確地查看系統在這種極端天氣下的運行情況——就在我們的台式電腦上。通過將實時數據輸入數字雙胞胎，可以監控系統對實際“水上”現場條件的響應，以支持決策制定，例如何時派遣船員進行系統檢查。這可以通過避免不必要的行程以及允許在發生更大、代價更高的故障之前主動維護系統來顯著降低成本。 

去年夏天，我們的團隊在加州大學伯克利分校 Richmond Field Station 的太平洋地震工程研究中心對一台實際渦輪機進行了振動台測試，以測試光纖傳感監測渦輪機如何響應遠海波浪運動的能力。震動測試有助於評估和優化傳感器的部署，這些傳感器最終將安裝在海洋中部的結構上，並通過光纜自動將數據傳輸到陸地。

 

問：協作對於降低浮動式海上風電的成本有多重要？

Wu：DOE 的浮動式海上風電接地裝置的雄心勃勃的目標是到 2035 年將成本降低 70%。這需要一種系統級方法來優化 FOSW 從材料設計、結構構造、部署、運行和維護的整個生命週期中的所有步驟。與具有不同專業知識的機構和行業合作使我們能夠有效地開發這些新的和復雜的技術，這些技術可以幫助將國家的能源經濟轉變為建立在清潔、可再生能源基礎上的經濟。 

 

[圖片]

(A) 振動台測試用於模擬海浪和測試渦輪穩定性。他們還測試了光纖傳感測量渦輪機響應的能力。

(B) 關於漂浮式海上風能破壞清潔能源領域的潛力的討論中的一個關鍵問題是這些技術將如何影響海洋生物。研究人員開發了能夠監測周圍聲學信號（例如鯨魚叫聲）的光纖傳感技術。這使科學家能夠監測 FOSW 操作可能如何影響大型海洋哺乳動物。

(C) 在 Richmond Field Station 進行的渦輪機測試。

(D) Yuxin Wu 吳宇新