繊維の仕組み

浮体式洋上風力発電がクリーンエネルギー分野を破壊する可能性をめぐる議論における主な懸念は、その技術が海洋生物にどのような影響を与えるかということだ。 研究者らは、クジラの鳴き声など周囲の音響信号を監視できる光ファイバーセンシングを開発した。 これにより科学者は、FOSW の活動が大型海洋哺乳類にどのような影響を与えるかを監視することができます。 (クレジット: Jenny Nuss/バークレー研究所)

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研究者たちは、浮体式洋上風力タービンに自己監視と自己修復機能を与えています。

振動台テストは、海の波を模倣し、タービンの安定性をテストするために使用されます。 また、タービンの応答を測定する光ファイバーセンシングの能力もテストします。 Yuxin Wu 氏のご厚意による。

浅瀬では、洋上風力タービンが海底に固定されます。 しかし、一般的に風が強く、2倍以上のエネルギーを刈り取る能力がある深海地域では、海が深すぎて固定構造物を設置できない海底に浮体式洋上風力タービンを係留する必要があります。 浮体式洋上風力発電 (FOSW) は、160 億ドル近い価値の潜在市場を持つ最も有望なクリーン エネルギー技術の 1 つですが、これらの複雑なシステムの開発、導入、保守のコストを削減するには、科学技術ソリューションが必要です。

エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の科学者たちは、カリフォルニア沖で計画されているFOSW構造物に設置できる光ファイバーケーブルからなるセンシング技術を開発している。 これにより、建造物が高額な修理につながる可能性のある損傷状態を自己監視できるようになり、海洋哺乳類の活動を検出することでFOSWが海洋哺乳類にどのような影響を与えるかを測定するのにも役立ちます。

バークレー研究所の科学者 Yuxin Wu 氏は、世界中の材料科学、工学、地球物理学の専門家、FOSW 開発者と協力して、潜在的な環境への影響を最小限に抑えながら、FOSW の開発と導入のコストを削減するソリューションの開発に取り組んでいます。

Q. 浮体式洋上風力発電技術の拡大に対する最大の障害は何ですか?

Wu: テクノロジーが開発の初期段階にあるため、これまでのところ、FOSW の配備はほとんどありません。 現在、そのようなシステムは深さ 1000 メートル付近には配備されていません。 私たちは、過酷な海洋環境や異常気象に耐えられる構造材料を共同設計することで、科学的イノベーションを活用したいと考えています。 また、分散型光ファイバーセンシングを FOSW システムに追加して、システムが潜在的な問題をリアルタイムで自己監視できるようにしたいと考えています。これにより、システムの寿命を延ばし、運用コストとメンテナンスコストを削減できる可能性があります。

Q. あなたのチームは光ファイバーセンシングをこれらのイノベーションにどのように適用していますか?

Wu: ファイバー ケーブルにはガラス コアがあり、光の速度で光信号を送信できます。 監視対象の材料に振動、ひずみ、または温度変化がある場合、その情報は散乱されて戻ってくる光信号に含まれます。 風力タービンの構造に取り付けるか埋め込むと、風力タービンに「聴覚」と「感覚」を与える「神経系」が与えられます。 このファイバーは、クジラの鳴き声などの周囲の音響信号を監視することができ、科学者がFOSW活動による大型海洋哺乳類への潜在的な影響を評価するのに役立ちます。

私たちは、温度やひずみなど、構造自体が経験する物理的および機械的状態を監視するために、このセンシング技術を塔やタービンなどの構造コンポーネントに導入するテストを行ってきました。 私たちのこれまでの研究は、問題につながる前に損傷を特定することが有益な最も高価なコンポーネントの一部であるタワーとギアボックスの光ファイバーのテストに焦点を当ててきました。

Q. 浮体式洋上風力システムのコストを削減する上で、材料科学はどの程度重要ですか?

Wu: 光ファイバーセンシングは、FOSW システム内で何が起こっているかをリアルタイムで明らかにすることで、システムレベルでより回復力があり、コスト効率の高い材料を開発するために必要な知識を提供します。 FOSW システムを低コストで過酷な海洋環境に耐えられるように設計するには、最先端の材料科学とコンピューティング科学を組み合わせて、より優れた材料を製造し、材料の性能を効果的にシミュレーションする必要があります。 構造に自己修復機能を与える材料を開発できます。 たとえば、コンクリートの亀裂に海水が侵入すると、介入なしで亀裂を塞ぐ反応が引き起こされます。

当社は、分子から構造スケールまでの材料科学およびシミュレーションの専門家と提携して、大きなコスト削減の可能性、現地での生産可能性、より優れたパフォーマンス、および環境の持続可能性により、将来の深海浮遊システムに大きな可能性をもたらすイノベーションをもたらしています。 分子ファウンドリ、先端光源、国立エネルギー研究科学計算センターなど、バークレー研究所の DOE ユーザー施設は、私たちの研究のイノベーションを促進する上で重要な役割を果たしています。

FOSW システムを低コストで過酷な海洋環境に耐えられるように設計するには、最先端の材料科学とコンピューティング科学を組み合わせて、より優れた材料を製造し、材料の性能を効果的にシミュレーションする必要があります。 — ウー・ユシン

リッチモンドフィールドステーションでのタービン試験。 画像提供：Yuxin Wu

Q. これらのシステムは遠く離れた沖合にあるため、メンテナンスのためにアクセスするのが困難です。 運用を監視する人が近くにいない場合、テクノロジーはどのようにしてパフォーマンスを追跡し、予測できるのでしょうか?

Wu: デジタル ツインは、高度なコンピューター モデリングを使用して作成された構造を表現したもので、多くの場合、リアルタイムの監視データと組み合わせて、科学者が FOSW システムがさまざまな気象条件や海洋条件にどのように反応するかを制御、シミュレーション、監視するために使用できます。 たとえば、デスクトップ コンピューターから直接、ハリケーンの状況をシミュレートし、この異常気象下でシステムがどのように機能するかを正確に確認できます。 デジタルツインにリアルタイムデータを供給することで、実際の「水上」現場の状況に対するシステムの反応を監視して、システム検査を実施するためにいつ作業員を派遣するかなどの意思決定をサポートできます。 これにより、不必要な出張が回避され、大規模で費用のかかる障害が発生する前にシステムを事前に保守できるため、コストを大幅に削減できます。

昨年の夏、私たちのチームは、カリフォルニア大学バークレー校リッチモンドフィールドステーションにある太平洋地震工学研究センターで実際のタービンの振動台テストを使用して、はるか沖合の波の動きにタービンがどのように反応するかを監視する光ファイバーセンシングの能力をテストしました。 振動試験は、最終的に海の真ん中の構造物に設置され、ファイバーケーブルを介して陸上にデータを自律的に通信するセンサーの展開を評価し、最適化するのに役立ちます。

Q. 浮体式洋上風力発電のコストを削減するには、協力がどの程度重要ですか?

Wu: DOE の浮体式洋上風力発電アースショットには、2035 年までにコストを 70% 削減するという野心的な目標があります。これには、材料設計、構造建設、展開、運用、保守に至る FOSW のライフサイクル全体のすべてのステップを最適化するシステムレベルのアプローチが必要です。 さまざまな専門知識を持つ機関や業界と提携することで、国のエネルギー経済をクリーンで再生可能な資源に基づいたものに移行するのに役立つ、これらの新しく複雑な技術を効率的に開発することができます。

最大の科学的課題にはチームで対処するのが最善であるという信念に基づいて 1931 年に設立されたローレンス バークレー国立研究所とその科学者は、16 回のノーベル賞を受賞しています。 現在、バークレー研究所の研究者は、持続可能なエネルギーと環境ソリューションを開発し、有用な新材料を作成し、コンピューティングの最前線を前進させ、生命、物質、宇宙の謎を探求しています。 世界中の科学者が、独自の科学発見のためにこの研究所の施設を利用しています。 バークレー研究所は、カリフォルニア大学が米国エネルギー省科学局のために管理するマルチプログラムの国立研究所です。

DOE 科学局は、米国における物理科学の基礎研究の最大の支援者であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに対処するために取り組んでいます。 詳細については、energy.gov/science をご覧ください。

ローレンス・バークレー国立研究所の Julie Bobyock と Christina Procopiou 著。

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