16 آگوست 2024-مزارع بادی شناور دریایی-© shutterstock/AI Image Generator
یک همکاری تحقیقاتی پیشگامانه ایالات متحده قرار است مزارع بادی شناور دریایی را متحول کند و به بهره‌برداری از مزایای منابع تجدیدپذیر فراوان این کشور کمک کند.
در تلاش برای پیشبرد مزارع بادی دریایی شناور در ایالات متحده، محققان دانشکده مهندسی جانز هاپکینز وایتینگ (WSE) و دانشگاه ایالتی پورتلند (PSU) قرار است درک ما را از نحوه تعامل باد، امواج و توربین ها بهبود بخشند.
این ابتکار جدید با افزایش کارایی و دقت شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های مربوط به توربین‌های بادی شناور، به دنبال حل یک چالش حیاتی در انرژی باد است.مزارع بادی دریایی شناور پتانسیل بهره برداری از انرژی باد را در آب های عمیق تر، جایی که تقریباً دو سوم منابع بادی فراساحلی ایالات متحده در آن قرار دارند، ارائه می دهند.
برخلاف توربین‌های بادی سنتی که به کف دریا لنگر انداخته‌اند، توربین‌های شناور بر روی سکوهای شناور متصل به بستر اقیانوس توسط خطوط پهلوگیری نصب می‌شوند.این طراحی استقرار در آب های عمیق تر را امکان پذیر می کند اما به دلیل ماهیت پویا سکوهای شناور، پیچیدگی هایی را در پیش بینی دقیق خروجی انرژی معرفی می کند.
این پروژه مشترک که توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده (NSF) و دفتر فناوری های انرژی بادی DOE (WETO) تامین می شود، با هدف پر کردن شکاف بین مدل های محاسباتی و روش های تجربی است.
محققان بر روی تقویت شبیه‌سازی‌های گردابی بزرگ (LES)، یک تکنیک محاسباتی که برای مدل‌سازی میدان‌های باد در اطراف توربین‌های شناور استفاده می‌شود، تمرکز دارند تا تعامل باد با امواج متحرک را بهتر توضیح دهند.
محقق پروژه، دنیس گیم، استاد مهندسی مکانیک در WSE، چالش های مرتبط با مزارع بادی شناور دریایی را برجسته کرد.یکی از چالش‌های مزارع بادی شناور این است که ما بستر آزمایشی نداریم. شما نمی توانید به دریا بروید، یک مزرعه بادی آزمایشی بسازید و عملکرد آن را ببینید. گیمه گفت: خیلی گران است.بیشتر مطالعات بر روی شبیه‌سازی‌های LES یا آزمایش‌های آزمایشگاهی تمرکز می‌کنند و به چگونگی پر کردن شکاف بین این دو، که برای ایجاد درک کامل از سیستم کلیدی است، توجه نمی‌کنند.
این پروژه نشان دهنده تلاشی پیشگام در ترکیب تکنیک های محاسباتی پیشرفته با تحقیقات تجربی است.
با اصلاح روش‌های LES و استفاده از یک تونل باد پیچیده و تاسیسات مخزن موج در PSU، این تیم قصد دارد مدل‌های دقیق‌تری برای طراحی و بهینه‌سازی مزارع بادی شناور ایجاد کند.
ران جاسلین، مدیر برنامه دینامیک سیالات NSF، بر اهمیت مشارکت NSF-DOE در پیشبرد تحقیقات انرژی های تجدید پذیر تاکید کرد. NSF و DOE اغلب نقش‌های مکمل در تقویت تحقیقات و نوآوری ایالات متحده دارند و با هم، اکتشافات را از آزمایشگاه دانشگاهی به پیاده‌سازی تجاری منتقل می‌کنیم.
NSF با WETO همکاری کرده است تا تحقیقات پیشگامانه در زمینه انرژی های تجدیدپذیر بادی را برای افزایش ظرفیت ایالات متحده برای انرژی های تجدیدپذیر تامین مالی کند. این مشارکت به ما انعطاف‌پذیری بیشتری برای اعطای پروژه‌های جدید با بودجه موجود در هر آژانس می‌دهد.»
این پروژه همچنین روش‌های محاسباتی جدیدی را برای نمایش جریان باد بر روی آب متحرک بررسی خواهد کرد.رویکردهای مرسوم یا از طول زبری کلی برای نتایج سریعتر اما کمتر دقیق استفاده می کنند یا از شبکه های پیچیده و سازگار استفاده می کنند که توسعه آنها زمان بر است.روش جدید پیشنهاد شده توسط چارلز منیو، محقق اصلی و استاد مهندسی مکانیک در WSE، با هدف ادغام نقاط قوت هر دو رویکرد است.
Meneveau گفت: «ما می‌توانیم با استفاده از این مدل با ترکیب ویژگی‌های بهتر هر دو روش سریعتر، دقیق‌تر و همچنین روش کندتر و دقیق‌تر، نتایج دقیقی به دست آوریم.مدل ما امواج متحرک مختلف را با قله‌ها و فرورفتگی‌ها منعکس می‌کند، اما این کار را سریع و دقیق انجام می‌دهد. همچنین می تواند یک پلت فرم متحرک با یک توربین در بالای آن را فاکتور کند. به سرعت کار می کند اما جزئیات مهم را ارائه می دهد.”
در بخش آزمایشی، رائول بایون کال، استاد مهندسی مکانیک و مواد PSU، تحقیقات عملی را با استفاده از یک مخزن موج پیشرفته رهبری خواهد کرد.امکانات او که شامل طول آزمایشی پنج متری است، امکان آزمایش همزمان چندین توربین و برهمکنش آنها با امواج را فراهم می‌کند.
با این ابتکار تحقیقاتی بلندپروازانه، مشارکت بین WSE و PSU آماده است تا گام‌های قابل توجهی در بهینه‌سازی مزارع بادی شناور در دریا برداشته و به طور بالقوه چشم‌انداز تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در ایالات متحده را متحول کند.
