北加州拥有美国最强的海上风力生产清洁能源的巨大潜力。但它也有一个问题。它的大陆架迅速下降，这使得直接在海底建造传统的风力涡轮机即使不是不可能，也是昂贵的。

一旦水深超过200英尺(约为18层楼的高度)，这些“单桩”结构就几乎不可能了。

一种解决方案已经出现，并正在世界各地的几个地方进行测试:漂浮的风力涡轮机。

在加州干旱带来了压力在水电供应上，国家是按照计划前进开发全国首个海上浮动风力发电场。2022年12月7日，联邦政府向计划开发浮动风力发电场的公司拍卖了距离加州海岸约20英里的五个租赁区域。投标是比大西洋沿岸最近的租金要低在美国，风力发电场可以锚定在海底，但仍然很重要，合计超过7.57亿美元。

那么，浮动风力发电场是如何工作的呢?

使涡轮机漂浮的三种主要方法

一种漂浮式风力涡轮机工作原理和其他风力涡轮机一样——风推动叶片，使转子转动，从而驱动发电机发电。但是它的塔不是直接嵌入到地面或海底，而是一个漂浮的风力涡轮机安装在一个平台上，有系泊线，如链条或绳索，连接到海底的锚。

这些系泊线将涡轮机固定在迎风的位置，并将其连接到将电力送回岸上的电缆上。

大部分的稳定性是由浮动平台本身提供的。诀窍在于设计平台，使涡轮机在强风或风暴中不会倾斜太远。

平台主要有三种类型:

• 浮筒平台是一个从涡轮塔向下延伸的长空心圆柱体。它垂直漂浮在深水中，在圆柱体底部装有压载物以降低其重心。然后把它固定在适当的位置，但用松弛的绳子让它随水移动，以避免损坏。浮标已经用于石油和天然气工业多年来一直从事海上作业。
• 半潜式平台有巨大的浮动船体，从塔上展开，也锚定以防止漂移。设计师们多台涡轮机试验在一些船体上。
• 张力腿平台有更小的平台，有拉紧的线直接延伸到下面的地板。这些都是更轻但更脆弱因为它们更依赖于系泊线和锚来保持稳定。

每个平台必须支撑涡轮机的重量，并在涡轮机运行时保持稳定。它之所以能做到这一点，部分原因是空心平台通常由大型钢或混凝土结构制成，可以提供浮力来支撑涡轮机。因为有些可以完全组装在港口和拖出安装，他们可能便宜得多比固定底结构需要专用船只用于现场安装。

浮动平台可以支持风力涡轮机，可以产生10兆瓦或更多的电力尺寸与其他海上风力涡轮机相似比你在野外看到的典型的陆上风力涡轮机的容量大几倍。

为什么我们需要浮动涡轮机?

一些最强风力资源在离海岸数百英尺深的地方，比如美国西海岸、五大湖、地中海和日本海岸。

去年12月初拍卖的美国租赁地区约为583平方英里在两个地区——一个靠近加州中部的莫罗湾，另一个靠近俄勒冈州边界。加州近海的海水很快就会变深，所以任何距离海岸几英里的风力发电场都需要漂浮的涡轮机。

一旦建成，这五个地区的风力发电场可以提供大约4.6吉瓦的清洁电力，足够为150万个家庭供电据政府估计。获胜的公司表示他们可以产生更大的能量。

但是真正的水上风力涡轮机还需要时间。租赁拍卖的获胜者将接受司法部的反垄断审查，然后是漫长的规划、许可和环境审查过程，这通常需要数年时间。

在全球范围内，欧洲和亚洲已经有几个使用浮动风力涡轮机的全面示范项目在运行。的苏格兰Hywind项目2017年成为首个商业规模的海上浮式风电场，拥有5台6兆瓦的涡轮机，由英国皇家海军设计的SPAR浮标支持挪威能源公司Equinor。

Equinor Wind美国加州中部的一个中标项目另一个中标者是莱茵海上风电控股公司。莱茵集团在欧洲经营风力发电场三个浮动式风力发电机示范项目。其他涉及的公司哥本哈根基础设施合作伙伴、Invenergy和海洋风拥有大西洋沿岸租约或现有的海上风力发电场。

虽然浮式海上风力发电场正在成为一种商业技术，但仍有一些技术挑战需要解决。平台的运动可能会对叶片和塔架产生更大的作用力，使空气动力学更加复杂和不稳定。此外，随着水深越来越深，系泊线、锚和电缆的成本可能会变得非常高，因此需要更便宜但仍然可靠的技术。

但我们可以期待在不久的将来看到更多由浮式结构支撑的海上涡轮机。

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马修·拉克纳(Matthew Lackner)是麻省大学阿默斯特分校的机械工程学教授。本文最初发表于谈话。