光纖傳感技術和新材料如何降低漂浮式海上風電的成本

在淺水區域，海上風力發電機固定在海床上。然而，在風力通常更強且能產生雙倍以上能量的深水區域，漂浮式海上風力發電機必須固定在海床，因為這些區域的水深使得固定結構無法使用。漂浮式海上風力（FOSW）是最具前景的清潔能源技術之一，其潛在市場價值接近160億美元，但需要科學和技術解決方案來降低開發、佈署和維護這些復雜系統的成本。

美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學家們正在開發由光纖電纜組成的傳感技術，這些光纖可以安裝在計劃中的加州海岸的FOSW結構上。這將使這些結構能夠自我監測有可能導致高昂維修費用的損壞條件，同時還能幫助測量FOSW對海洋哺乳動物的影響，通過檢測它們的活動來進行評估。

伯克利實驗室的科學家Yuxin Wu正在與全球的材料科學、工程、地球物理學專家及FOSW開發者合作，致力於開發解決方案，以降低FOSW的開發和佈署成本，同時最小化潛在的環境影響。

通過這些技術的開發，未來的漂浮式海上風電系統有望不僅提高可再生能源的生產效率，還能減少對海洋生態系統的潛在影響，促進可持續發展。這項研究的推進將為應對能源需求和氣候變化挑戰提供新的解決方案，並提升海上風能開發的經濟性和環保性。

問：擴展漂浮式海上風電技術面臨的最大障礙是什麼？

Wu：到目前為止，漂浮式海上風電（FOSW）的佈署很少，因為這項技術仍處於早期開發階段。目前，尚未在接近1000米深度的地方部署這種系統。我們希望通過共同設計能更好地承受惡劣海洋環境和極端氣候事件的結構材料，利用科學創新。此外，我們希望將分布式光纖傳感技術添加到FOSW系統中，以使系統能夠實時自我監測潛在問題，這一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技術應用於這些創新？

Wu：光纖電纜有一個玻璃核心，可以以光速傳送光信號；當有任何振動、應變或被監測材料的溫度變化時，這些信息將以散射回的光信號形式傳遞。當其連接到風力發電機結構或嵌入其中時，就為其提供了一個“神經系統”，使其能“聽見”和“感受到”。光纖能夠監測周圍的聲音信號，例如鯨魚的叫聲，這有助於科學家評估FOSW作業對大型海洋哺乳動物的潛在影響。

我們已經在結構組件（例如塔和風力發電機）上測試這種傳感技術，以監測該結構本身所經歷的物理和機械條件，如溫度或應變。我們目前的研究集中在對塔和齒輪箱進行光纖測試，這些都是最昂貴的組件，能夠在損壞導致問題之前識別潛在的損壞，從而帶來明顯的利益。

問：材料科學在降低漂浮式海上風電系統成本方面有多重要？

Wu：光纖傳感能實時揭示FOSW系統內部的運作情況，這為我們提供了必要的知識，以開發在系統層面上更具韌性和成本效益的材料。設計FOSW系統以降低成本並能承受惡劣的海洋環境，需要將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模擬材料的性能。材料可以被開發為賦予結構自我修復的能力；例如，海水滲入混凝土的裂縫中會觸發反應，自動封住裂縫而無需人工干預。

我們正在與材料科學和從分子到結構層面的模擬專家合作，推動具有巨大未來潛力的深水漂浮系統創新，因為這些創新具有較大的成本節約潛力、當地可生產性、更好的性能和環境可持續性。位於伯克利實驗室的美國能源部使用設施，如分子工廠、先進光源和國家能源研究科學計算中心，在促進我們研究中的創新方面扮演了關鍵角色。

問：這些系統位於遠離岸邊的位置，使得維護工作面臨挑戰。技術如何幫助追蹤和預測它們的性能，尤其是在缺乏人員監控操作的情況下？

Wu：數字雙胞胎（Digital twins）是使用先進的計算機建模和實時監測數據共同製作的結構表示，科學家可以利用這些數字模型來控制、模擬和監測FOSW系統如何應對不同的天氣或海洋條件。例如，我們可以模擬颶風的條件，並確切了解系統在極端天氣下的運作情況——這可以直接在我們的桌面計算機上進行。通過將實時數據輸入到數字雙胞胎中，系統對實際“水上”現場條件的反應可以被監控，以支持決策，例如何時派遣工作人員進行系統檢查。這樣可以顯著降低成本，避免不必要的出行，同時允許在出現較大且昂貴的故障之前對系統進行主動維護。

去年的夏天，我們的團隊在加州大學伯克利分校的太平洋地震工程研究中心使用實際風力渦輪機進行了振動台測試，以測試光纖傳感技術監測風力渦輪機對遠離海岸波動的反應能力。該振動測試有助於評估和優化傳感器的部署，最終這些傳感器將安裝在位於海洋中央的結構上，自動通過光纖電纜與陸地通信數據。

這些技術的整合將使得對遠海風電系統的維護和性能監控變得更加高效，未來的清潔能源開發將因此受益。

問：合作在降低漂浮式海上風電成本方面有多重要？

Wu：美國能源部的漂浮式海上風電“地球快車”（Earthshot）計劃設定了到2035年降低70%成本的雄心勃勃目標。這需要從系統層面進行優化，涵蓋FOSW的整個生命周期，包括材料設計、結構建設、佈署、運營和維護。與擁有不同專業知識的機構和產業合作，能夠高效地開發這些新型而複雜的技術，從而幫助將國家的能源經濟轉向以清潔可再生來源為基礎的方向。

這種合作不僅促進了跨學科的知識分享，還能增強創新，降低開發和實施中的風險。通過集結來自不同領域的專家，科研團隊能夠在降低成本的同時，也能提升漂浮式海上風電系統的性能和可靠性。這種協作將成為未來推動可持續發展的重要驅動力。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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