移動式長絲纏繞設備助力工業規模的波浪能發電設備制造（上篇）
更新時間：2021-09-02 10:52:06
編輯：秘書處
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根據國際能源署下屬的政府間合作組織--海洋能源系統的最新報告，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，這一數字相比2017年，翻了一倍多。然而，要實現海洋能源系統的目標，即到2050年全球海洋能源發電能力達到300吉瓦，還有很長的路要走。波浪能轉換器在海洋能源技術發展中的應用前進廣闊，是一種利用海浪運動來發電的設備。業內已經開發出各種類型的波浪能轉換器，其中許多設備的工作方式與水力發電渦輪機類似。設備有柱狀、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備產生的能量。這些能量之后被傳遞到一個發電機，最終將其轉化為電能。海浪是相對均勻和可預測的，但海浪能則不太容易捉摸。像太陽能和風能等大多數其他類型的可再生能源，目前仍然難以控制其產能。根據風勢和許多其他氣候因素的變化，在不同時間節點產生的能量存在不穩定性。更進一步，該設備還需要夠經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換效率，是有市場競爭力的波浪能轉換器的兩個關鍵指標，才能滿足年度能源生產的目標，推動電力成本的下降。位于瑞典斯德哥爾摩的波浪能轉換器開發商CorPower 海洋公司，研發的第一個全尺寸原型是直徑9米的球形浮標，預計將在今年年底前安裝，進行首次海洋試驗。在設計該轉換器系統時，公司發覺長絲纏繞的玻璃纖維復合材料是制造其大型浮標外殼最經濟有效的解決方案。經過幾年的小型尺寸測試，第一個全尺寸的原型在與荷蘭AutonationalBV公司合作開發的定制長絲纏繞系統中進行制造。CorPower海洋公司自2011年以來一直在開發該設備，契機來自于當時瑞典發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。全尺寸的原型終于得以在2021年底部署測試，2011年，當倫德巴克與技術企業家帕特里克-默勒合作時，便啟動了結構化的產品開發項目，帕特里克后來成為CorPower海洋公司的首席執行官。CorPower海洋公司在藍黃相間的復合材料球體內，部署了將浮標運動轉換為電能的系統。氣動預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，該系統將能量儲存為加壓空氣，驅動浮標下沉（類似于人類心臟在泵送時儲存和釋放能量的方式），從而在水面上下產生相等的能量，并由浮標內的機電傳動系統轉化為電能。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換器設計中加入了一個控制系統，可以放大該系統的功率采集，每個浮標設備最高可提供300千瓦的能量。
CorPower 海洋公司致力于測試和擴大其用于工業規模可再生能源的海洋能源技術，該公司的波浪能轉換器已經經歷了幾次設計迭代。最近，被稱為C4的第一個全尺寸原型浮標宣布研發成功，并在2021年底前完成部署，用于海洋測試。圖為最終被設計為球形的浮標CorPower海洋公司的高級復合材料設計工程師哈維爾-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，”維德格爾說，波浪能轉換器系統的核心要素之一是輕質。在常規條件下，更輕的設備能夠更容易控制，吸收更多的功率，而在風暴條件下，它有助于避免系統的高負荷。耐用性也是一個重要因素。波浪能轉換器的整體生命周期設計為20年以上，每五年進行一次定期維護。在談到開發工具時帕特里克表示，開發人員用SolidWorks軟件進行外殼設計，然后用CadFil設計復合材料繞組路徑設計，Ansys軟件用于結構評估，Orcaflex用于運動和載荷。額外還有一個專門的波浪線數值建模工具被用來確定和模擬設備運動，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 海洋公司的總經理和該公司復合材料工作的領導者米格爾-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的半尺寸波浪能轉換器原型，并進行干測試。該項目指導了C4的設計，正如前面提到的，后者是第一個全尺寸的設備原型。在設計階段的早期，CorPower 海洋公司進行了成本分析，比較和評估鋼、鋁和復合材料外殼的選擇，同時考慮到設備的年能量生產和制造的成本效益。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、最具經濟性的制造工藝。最初，該設計是一個圓柱形的單層復合材料外殼。在C3和C4設計迭代過程中，開發團隊使用帶有外殼和錨泊系統的小尺寸模型進行了四次水箱測試活動，并進行了數字模擬。團隊最終決定將設計調整為采用三明治結構的球形外殼，這樣做可以使設備表面應力分布可更加均勻。帕特里克解釋說：“球體是結構上最堅固的形狀，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計創新。目前的C4迭代設備有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；這包括一層結合了玻璃纖維粗紗和專門開發的141毫米寬織物帶的內皮、一層迪博公司生產的Divinycell H結構芯用于增加強度和適應外殼的弧度、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構的耐用性和較長的使用壽命。”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、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海洋公司的供應鏈和質量經理約翰森指出，雖然現階段仍然需要通過海洋測試檢驗許多設備的指標，但可以肯定的是CorPower海洋公司在復合材料外殼的設計理念具有獨到的見解，能夠實現優秀的結構效率。本文由中國復合材料工業協會編譯，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流。轉載請注明來自中國復合材料工業協會。
