移動式長絲纏繞設(shè)備助力工業(yè)規(guī)模的波浪能發(fā)電設(shè)備制造（上篇）
更新時間：2021-09-02 10:52:06
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根據(jù)國際能源署下屬的政府間合作組織--海洋能源系統(tǒng)的最新報告，截至2020年底，全球海洋能源（包含波浪能和潮汐能）累計能源容量達到約65兆瓦，這一數(shù)字相比2017年，翻了一倍多。然而，要實現(xiàn)海洋能源系統(tǒng)的目標，即到2050年全球海洋能源發(fā)電能力達到300吉瓦，還有很長的路要走。波浪能轉(zhuǎn)換器在海洋能源技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用前進廣闊，是一種利用海浪運動來發(fā)電的設(shè)備。業(yè)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出各種類型的波浪能轉(zhuǎn)換器，其中許多設(shè)備的工作方式與水力發(fā)電渦輪機類似。設(shè)備有柱狀、葉片狀或浮標狀等各式形狀，可半漂浮于水面，捕獲由海浪作用于該設(shè)備產(chǎn)生的能量。這些能量之后被傳遞到一個發(fā)電機，最終將其轉(zhuǎn)化為電能。海浪是相對均勻和可預(yù)測的，但海浪能則不太容易捉摸。像太陽能和風能等大多數(shù)其他類型的可再生能源，目前仍然難以控制其產(chǎn)能。根據(jù)風勢和許多其他氣候因素的變化，在不同時間節(jié)點產(chǎn)生的能量存在不穩(wěn)定性。更進一步，該設(shè)備還需要夠經(jīng)受住大型海洋風暴等極端天氣的考驗。因此，高耐用性和高能量轉(zhuǎn)換效率，是有市場競爭力的波浪能轉(zhuǎn)換器的兩個關(guān)鍵指標，才能滿足年度能源生產(chǎn)的目標，推動電力成本的下降。位于瑞典斯德哥爾摩的波浪能轉(zhuǎn)換器開發(fā)商CorPower 海洋公司，研發(fā)的第一個全尺寸原型是直徑9米的球形浮標，預(yù)計將在今年年底前安裝，進行首次海洋試驗。在設(shè)計該轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)時，公司發(fā)覺長絲纏繞的玻璃纖維復(fù)合材料是制造其大型浮標外殼最經(jīng)濟有效的解決方案。經(jīng)過幾年的小型尺寸測試，第一個全尺寸的原型在與荷蘭AutonationalBV公司合作開發(fā)的定制長絲纏繞系統(tǒng)中進行制造。設(shè)計一個波浪能轉(zhuǎn)換器的復(fù)合材料外殼CorPower海洋公司自2011年以來一直在開發(fā)該設(shè)備，契機來自于當時瑞典發(fā)明家和心臟病專家斯蒂格-倫德巴克提出的，以人類心臟的泵送原理為模型的能量捕獲浮標系統(tǒng)。全尺寸的原型終于得以在2021年底部署測試，2011年，當倫德巴克與技術(shù)企業(yè)家帕特里克-默勒合作時，便啟動了結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品開發(fā)項目，帕特里克后來成為CorPower海洋公司的首席執(zhí)行官。CorPower海洋公司在藍黃相間的復(fù)合材料球體內(nèi)，部署了將浮標運動轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)。氣動預(yù)緊裝置利用壓力來平衡水面上的浮標。當波浪將浮標向上推時，該系統(tǒng)將能量儲存為加壓空氣，驅(qū)動浮標下沉（類似于人類心臟在泵送時儲存和釋放能量的方式），從而在水面上下產(chǎn)生相等的能量，并由浮標內(nèi)的機電傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能。2014年，在與挪威科技大學的研究人員合作中，CorPower 海洋公司在波浪能轉(zhuǎn)換器設(shè)計中加入了一個控制系統(tǒng)，可以放大該系統(tǒng)的功率采集，每個浮標設(shè)備最高可提供300千瓦的能量。
CorPower 海洋公司致力于測試和擴大其用于工業(yè)規(guī)?？稍偕茉吹暮Ｑ竽茉醇夹g(shù)，該公司的波浪能轉(zhuǎn)換器已經(jīng)經(jīng)歷了幾次設(shè)計迭代。最近，被稱為C4的第一個全尺寸原型浮標宣布研發(fā)成功，并在2021年底前完成部署，用于海洋測試。圖為最終被設(shè)計為球形的浮標CorPower海洋公司的高級復(fù)合材料設(shè)計工程師哈維爾-維德格爾解釋到，“外殼本身相當于風力渦輪機的葉片。它從海浪中提取能量，并將其傳遞到動力系統(tǒng)，”維德格爾說，波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的核心要素之一是輕質(zhì)。在常規(guī)條件下，更輕的設(shè)備能夠更容易控制，吸收更多的功率，而在風暴條件下，它有助于避免系統(tǒng)的高負荷。耐用性也是一個重要因素。波浪能轉(zhuǎn)換器的整體生命周期設(shè)計為20年以上，每五年進行一次定期維護。在談到開發(fā)工具時帕特里克表示，開發(fā)人員用SolidWorks軟件進行外殼設(shè)計，然后用CadFil設(shè)計復(fù)合材料繞組路徑設(shè)計，Ansys軟件用于結(jié)構(gòu)評估，Orcaflex用于運動和載荷。額外還有一個專門的波浪線數(shù)值建模工具被用來確定和模擬設(shè)備運動，包括非線性損失、運動阻尼的實時控制和非線性流體力學。
CorPower 海洋公司的目標是在今年年底前安裝其第一個全尺寸波浪能轉(zhuǎn)換器型（圖中顯示為1/4比例的模型）進行海洋試驗。圖中是葡萄牙CorPower 海洋公司的總經(jīng)理和該公司復(fù)合材料工作的領(lǐng)導者米格爾-席爾瓦HiWave-3是由InnoEnergy公司、蘇格蘭波浪能源公司和瑞典能源局資助的，一個為期三年的示范項目（2015-2018年），目標是制造一個稱為C3的半尺寸波浪能轉(zhuǎn)換器原型，并進行干測試。該項目指導了C4的設(shè)計，正如前面提到的，后者是第一個全尺寸的設(shè)備原型。在設(shè)計階段的早期，CorPower 海洋公司進行了成本分析，比較和評估鋼、鋁和復(fù)合材料外殼的選擇，同時考慮到設(shè)備的年能量生產(chǎn)和制造的成本效益。維德格爾說，在評估了幾個小尺寸的模型后，長絲纏繞被證明是最輕的、最具經(jīng)濟性的制造工藝。最初，該設(shè)計是一個圓柱形的單層復(fù)合材料外殼。在C3和C4設(shè)計迭代過程中，開發(fā)團隊使用帶有外殼和錨泊系統(tǒng)的小尺寸模型進行了四次水箱測試活動，并進行了數(shù)字模擬。團隊最終決定將設(shè)計調(diào)整為采用三明治結(jié)構(gòu)的球形外殼，這樣做可以使設(shè)備表面應(yīng)力分布可更加均勻。帕特里克解釋說：“球體是結(jié)構(gòu)上最堅固的形狀，可以承受來自海浪的外部高強水壓。
最初的C3設(shè)計特點為圓柱形的外殼。每一輪的測試都帶來了新的見解和設(shè)計創(chuàng)新。目前的C4迭代設(shè)備有19米高，可分解為兩個部分：一個9米長的球形主外殼以及一個10米長的柱子，通過一個張緊的錨泊系統(tǒng)錨定在海洋底部。外殼是一個圍繞10米心軸長絲纏繞的三明治組件；這包括一層結(jié)合了玻璃纖維粗紗和專門開發(fā)的141毫米寬織物帶的內(nèi)皮、一層迪博公司生產(chǎn)的Divinycell H結(jié)構(gòu)芯用于增加強度和適應(yīng)外殼的弧度、以及一層同樣包括長絲纏繞的粗紗和織物外皮。迪博的市場部經(jīng)理埃弗萊姆松稱：“我們一直與CorPower海洋公司密切合作，為核心材料尋找最佳解決方案，確保暴露在惡劣條件下的結(jié)構(gòu)的耐用性和較長的使用壽命?！?/span>該部件的整體厚度約為六厘米。在纏繞之后，每個外殼在機械系統(tǒng)、梯子和其他部件組裝之前都會在室溫下固化，最后外殼會被涂上一層膠衣以抵御紫外線。CorPower海洋公司的供應(yīng)鏈和質(zhì)量經(jīng)理約翰森指出，雖然現(xiàn)階段仍然需要通過海洋測試檢驗許多設(shè)備的指標，但可以肯定的是CorPower海洋公司在復(fù)合材料外殼的設(shè)計理念具有獨到的見解，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)效率。本文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉(zhuǎn)載請注明來自中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會。
