圖片來源：Sandia National Laboratory

美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratory）的離岸風能技術負責人Brandon Ennis，發表全新設計概念的垂直軸離岸風機，其創新之處包含：無塔架及如弓狀彎曲的葉片設計。

據桑迪亞國家實驗室說明，不同於傳統風機安裝於高達 150公尺塔頂的設計，全新概念之風機葉片距海面近，並透過葉片旋轉產生電能。這樣的設計能有效減少力距重量，並使維持浮台漂浮所需的尺寸及成本得以壓縮。桑迪亞國家實驗室在 202 年為此設計提出專利申請。

然在實際付諸行動之前，實驗團隊必須建立風機及浮台在不同風力及海況的反饋軟體模型，以確認系統整體都在最佳設計狀態。實驗團隊在獲得有效的設計軟體後，已能進行浮動式風機系統輕量化的設計及優化。

「我們需要能模擬風力、浪況、葉片彈性、浮台動態及控制器的設計軟體，用以設計這款浮動式風機系統。」Ennis 表示：「能滿足我們需求的軟體不多，尤其用於設計和優化風機雙向耦合動力學（pertinent two-way coupled dynamics）的軟體可說是零。開發這套軟體很困難，但卻是必經之路，因為若沒有這套值得信賴的軟體，就不可能出現垂直軸的浮動式風機。」

把風機架設在塔頂，轉動三片水平葉片，帶動後方機艙內部的發電機，為常見的風機設計。部分垂直軸支撐的風機裝設兩片或更多的葉片，其發電機位於葉片下方，這樣的設計稱為「打蛋型轉子垂直軸風機」（Darrieus vertical-axis wind turbine）。Ennis 表示，相較傳統風機設計，其特色是重心降低及輕量化，但也面臨「極限風速下無法保護風機」的挑戰。

Ennis 提到，對傳統水平軸風機而言，葉片可透過旋轉避開具破壞力的強風，但打蛋型轉子垂直軸風機，則會承受來自四面八方的風。桑迪亞國家實驗室提出以「張力纜線」替換「中央垂直塔架」的最新設計提案。張力纜線可依據風況縮短或增長以捕捉最大風量。桑迪亞國家實驗室表示，改以張力纜線支撐不但能使風機更輕，也縮小浮台體積及成本。

憑藉工程師 Brian Owens 早前的工作成果，桑迪亞國家實驗室風能團隊的機械工程師 Kevin Moore、Coe、Michael Devin及其團隊，開發出垂直軸風機的設計軟體。該團隊致力於綜合物理演算（integrating physics algorithms），同時提高其準確性及速度。

Moore 也帶領團隊使用桑迪亞國家實驗室在 1980 年代建造的直徑 34 米陸域垂直軸風機產出的數據，用以驗證這套設計軟體。

「在驗證工作的過程中，看到前輩的工作成果兼具設計品質及創新令人驚豔。善用這套現代的計算軟體，彷彿站在巨人的肩膀上看到不同視野。」Moore 說明。

Ennis 提到：「可靠的設計軟體尚未出現，如果公司現在想驗證垂直軸風機，過程會充滿不確定性。對我們而言，提供具有可信度的設計軟體，代表驗證機構更願意批准垂直軸風機設計，這對其融資和最終配置都是必須的。」

Ennis 表示，不分傳統塔架式或張力纜線，這套設計軟體可用於不同款式的垂直軸風機之建模及優化。「我們設計整套系統，包含：風機、浮台到控制系統的同時，也在降低整體能源均化成本，而非僅是風機本身的成本支出。通常由一家公司設計風機，另一家公司設計適合這座風機的浮台，接著第三家公司整合所有系統負責離岸風場的安裝工程，最終依據支出分配獲利。」

Ennis 表示，團隊希望能在今年底完成浮動式垂直軸風機系統設計的優化作業。

「以整合眾多不同功能的角度來說，這套工具使用上很簡易。桑迪亞國家實驗室向來是空氣動力學和結構動力學的佼佼者，我們可以串聯為垂直軸風機發展的相關建模而開發的軟體，並結合流體動力學使其更貼近設計優化。

離岸風機設計軟體的發展及未來整體系統的優化設計工作，由高階能源研究部的亞特蘭提斯專案（Department of Energy’s Advanced Research Project Agency-Energy’s ATLANTIS program）所支持。桑迪亞國家實驗室團隊正與夥伴 FPS（FPS Engineering & Technology）及美國驗船協會（American Bureau of Shipping）共同為此專案努力中。

作者：Tom Russell

翻譯：陳妍伶

新聞來源：4C Offshore