Brandon Ennis, líder técnico de energia eólica offshore do Sandia National Laboratories, teve uma ideia radicalmente nova para turbinas eólicas offshore:em vez de uma torre alta e pesada com pás no topo, ele imaginou uma turbina sem torre com pás esticadas como um arco.
Esse projeto permitiria que o gerador maciço que cria eletricidade a partir de lâminas giratórias fosse colocado mais perto da água, em vez de no topo de uma torre 500 pés acima. Isso torna a turbina menos pesada e reduz o tamanho e o custo da plataforma flutuante necessária para mantê-la flutuando. Sandia registrou um pedido de patente para o design em 2020.

No entanto, antes que ele pudesse colocar sua ideia em prática, a equipe precisava construir um software capaz de modelar a resposta da turbina e da plataforma flutuante a diferentes condições de vento e mar para determinar o projeto ideal de todo o sistema.

Agora, a equipe da Sandia tem uma ferramenta de design funcional, ou "prancheta de desenho", e pode começar a projetar e otimizar seu sistema de turbina eólica flutuante mais leve.

“Para projetar nosso sistema de turbina eólica flutuante, precisávamos de uma ferramenta de projeto que pudesse simular o vento, as ondas, a elasticidade das lâminas, o movimento da plataforma e os controladores”, disse Ennis. "Existem algumas ferramentas que podem fazer um pouco do que precisamos, mas sem toda a dinâmica acoplada bidirecional pertinente para projeto e otimização desse tipo de turbina eólica. Foi um grande empreendimento, mas essencial. t ser uma indústria de turbinas eólicas de eixo vertical flutuante sem uma ferramenta confiável como esta."

Turbinas mais leves e baratas para energia eólica offshore

Grande parte do vento offshore dos EUA sopra em águas com mais de 200 pés de profundidade. Nessas profundidades, seria muito caro construir as estruturas de suporte rígidas normalmente usadas por turbinas eólicas. No entanto, as turbinas eólicas que podem flutuar acima do fundo do mar podem desempenhar um papel importante na diversificação de nossas fontes de energia renovável e melhorar a estabilidade da rede à medida que cidades e estados se aproximam de atingir suas metas de emissão líquida zero, disse Ryan Coe, um engenheiro mecânico do grupo de energia hidráulica da Sandia.

“A alta demanda elétrica nas costas é uma das razões pelas quais a energia eólica offshore parece atraente; as pessoas tendem a viver longe de onde o vento terrestre é mais forte e não há espaço suficiente nas cidades para painéis solares”, disse Coe. “Além disso, a energia eólica offshore fornece energia em diferentes momentos do dia do que a solar e a eólica onshore”.

No entanto, a energia eólica offshore flutuante traz seus próprios desafios, acrescentou Ennis. Principalmente, é muito caro sustentar as turbinas eólicas e mantê-las quando estão no mar. O objetivo de um programa Agência-Energia do Projeto de Pesquisa Avançada do Departamento de Energia é otimizar o projeto de turbinas eólicas flutuantes, plataformas e sistemas de controle para maximizar a produção de energia e minimizar os custos, disse ele.

"Para nós, a questão é como removemos massa e custo do sistema enquanto maximizamos a captura de energia, que é de onde obtivemos nosso design inovador, sem torre e de eixo vertical", disse Ennis.

A maioria das turbinas eólicas hoje são baseadas em torno de uma torre alta com três pás girando um eixo horizontal que aciona um gerador atrás das pás na nacela da turbina, a caixa na parte superior da turbina que contém o rotor e outros componentes importantes. Mas essa não é a única maneira de projetar uma turbina eólica, disse Ennis. Algumas turbinas possuem duas ou mais pás suportadas por um eixo vertical com um gerador abaixo das pás. Esse projeto, chamado de turbina eólica de eixo vertical Darrieus, tem um centro de gravidade mais baixo e pode pesar menos do que uma turbina eólica tradicional, disse Ennis, mas um de seus principais desafios é que é difícil proteger a turbina de ventos extremos.

Para turbinas eólicas tradicionais de eixo horizontal, as pás podem girar para longe de ventos intensos e prejudiciais, mas o design Darrieus capta o vento de todas as direções. O projeto Sandia substitui a torre vertical central por cabos tensos, disse Ennis. Esses fios podem ser encurtados ou alongados para ajustar as condições do vento em mudança para maximizar a captura de energia enquanto controla a tensão. Além disso, a substituição do eixo por cabos reduz ainda mais o peso da turbina, permitindo que a plataforma flutuante seja ainda menor e menos cara.

Desenvolvimento e validação de ferramenta de design

Kevin Moore, engenheiro mecânico do grupo de energia eólica da Sandia, e o restante da equipe basearam-se no trabalho anterior do engenheiro da Sandia, Brian Owens, para desenvolver a ferramenta de projeto de turbina eólica de eixo vertical. Coe e Michael Devin, outro engenheiro mecânico do grupo de energia eólica, também trabalharam nisso. A equipe trabalhou na integração de algoritmos físicos, ao mesmo tempo em que melhorou a precisão e a velocidade dos algoritmos.

Moore também liderou os esforços para validar a ferramenta de projeto usando dados de uma turbina eólica de eixo vertical com 34 metros de diâmetro, construída pela Sandia nos anos 80.

"Enquanto trabalhava no esforço de validação, foi incrível ver a qualidade do design e a inovação dos designers legados", disse Moore. "É um privilégio estar nos ombros de gigantes enquanto aproveita os recursos computacionais modernos."

Uma das razões pelas quais a equipe da Sandia está validando a ferramenta de projeto é para que ela possa eventualmente ser usada para certificar projetos de turbinas eólicas de eixo vertical de acordo com os padrões de projeto pertinentes, disse Ennis.

“No momento, se uma empresa deseja certificar uma turbina eólica de eixo vertical, não há uma ferramenta de projeto confiável, então há muita incerteza nesse processo”, disse Ennis. “Para nós, podermos fornecer uma ferramenta de projeto confiável significa que os organismos de certificação estariam mais dispostos a aprovar projetos de turbinas eólicas de eixo vertical, o que é necessário para o financiamento e sua implantação final”.

Criando um projeto de turbina otimizado

Agora, a equipe pode começar a projetar o sistema de turbina eólica flutuante de eixo vertical. A ferramenta de design pode ser usada para modelar e otimizar qualquer turbina eólica de eixo vertical, seja com uma torre tradicional ou fios tensos, disse Ennis. A equipe está usando um processo chamado co-design de controle para encontrar o projeto e controle do sistema de turbina eólica de eixo vertical flutuante mais econômico.

"Estamos projetando todo o sistema, a turbina e a plataforma e seu controle, simultaneamente para reduzir o custo nivelado de energia, não apenas o custo da turbina em si", disse Ennis. "Normalmente, uma empresa projeta a turbina, outra empresa projeta a plataforma flutuante para esse projeto de turbina fixa e, em seguida, uma terceira empresa instala isso com outros sistemas para fazer uma usina eólica offshore; e você obtém o que obtém no final em termos de custo."

A equipe espera ter um projeto de turbina eólica de eixo vertical flutuante otimizado até o final do ano, disse Ennis, mas o projeto não teria sido possível sem o novo software especializado.

"Esta é uma ferramenta interessante em termos da maneira como integra todos esses diferentes recursos", disse Coe. "Conseguimos vincular ferramentas desenvolvidas para modelar a aerodinâmica e a dinâmica estrutural de turbinas eólicas de eixo vertical - áreas nas quais a Sandia sempre foi líder - e combiná-las com hidrodinâmica e torná-las mais adequadas para a otimização do projeto". + Explorar mais

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