移动式长丝缠绕设备助力工业规模的波浪能发电设备制造（上篇）
更新时间：2021-09-02 10:52:06
编辑：秘书处
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根据国际能源署下属的政府间合作组织--海洋能源系统的最新报告，截至2020年底，全球海洋能源（包含波浪能和潮汐能）累计能源容量达到约65兆瓦，这一数字相比2017年，翻了一倍多。然而，要实现海洋能源系统的目标，即到2050年全球海洋能源发电能力达到300吉瓦，还有很长的路要走。波浪能转换器在海洋能源技术发展中的应用前进广阔，是一种利用海浪运动来发电的设备。业内已经开发出各种类型的波浪能转换器，其中许多设备的工作方式与水力发电涡轮机类似。设备有柱状、叶片状或浮标状等各式形状，可半漂浮于水面，捕获由海浪作用于该设备产生的能量。这些能量之后被传递到一个发电机，最终将其转化为电能。海浪是相对均匀和可预测的，但海浪能则不太容易捉摸。像太阳能和风能等大多数其他类型的可再生能源，目前仍然难以控制其产能。根据风势和许多其他气候因素的变化，在不同时间节点产生的能量存在不稳定性。更进一步，该设备还需要够经受住大型海洋风暴等极端天气的考验。因此，高耐用性和高能量转换效率，是有市场竞争力的波浪能转换器的两个关键指标，才能满足年度能源生产的目标，推动电力成本的下降。位于瑞典斯德哥尔摩的波浪能转换器开发商CorPower 海洋公司，研发的第一个全尺寸原型是直径9米的球形浮标，预计将在今年年底前安装，进行首次海洋试验。在设计该转换器系统时，公司发觉长丝缠绕的玻璃纤维复合材料是制造其大型浮标外壳最经济有效的解决方案。经过几年的小型尺寸测试，第一个全尺寸的原型在与荷兰AutonationalBV公司合作开发的定制长丝缠绕系统中进行制造。CorPower海洋公司自2011年以来一直在开发该设备，契机来自于当时瑞典发明家和心脏病专家斯蒂格-伦德巴克提出的，以人类心脏的泵送原理为模型的能量捕获浮标系统。全尺寸的原型终于得以在2021年底部署测试，2011年，当伦德巴克与技术企业家帕特里克-默勒合作时，便启动了结构化的产品开发项目，帕特里克后来成为CorPower海洋公司的首席执行官。CorPower海洋公司在蓝黄相间的复合材料球体内，部署了将浮标运动转换为电能的系统。气动预紧装置利用压力来平衡水面上的浮标。当波浪将浮标向上推时，该系统将能量储存为加压空气，驱动浮标下沉（类似于人类心脏在泵送时储存和释放能量的方式），从而在水面上下产生相等的能量，并由浮标内的机电传动系统转化为电能。2014年，在与挪威科技大学的研究人员合作中，CorPower 海洋公司在波浪能转换器设计中加入了一个控制系统，可以放大该系统的功率采集，每个浮标设备最高可提供300千瓦的能量。
CorPower 海洋公司致力于测试和扩大其用于工业规模可再生能源的海洋能源技术，该公司的波浪能转换器已经经历了几次设计迭代。最近，被称为C4的第一个全尺寸原型浮标宣布研发成功，并在2021年底前完成部署，用于海洋测试。图为最终被设计为球形的浮标CorPower海洋公司的高级复合材料设计工程师哈维尔-维德格尔解释到，“外壳本身相当于风力涡轮机的叶片。它从海浪中提取能量，并将其传递到动力系统，”维德格尔说，波浪能转换器系统的核心要素之一是轻质。在常规条件下，更轻的设备能够更容易控制，吸收更多的功率，而在风暴条件下，它有助于避免系统的高负荷。耐用性也是一个重要因素。波浪能转换器的整体生命周期设计为20年以上，每五年进行一次定期维护。在谈到开发工具时帕特里克表示，开发人员用SolidWorks软件进行外壳设计，然后用CadFil设计复合材料绕组路径设计，Ansys软件用于结构评估，Orcaflex用于运动和载荷。额外还有一个专门的波浪线数值建模工具被用来确定和模拟设备运动，包括非线性损失、运动阻尼的实时控制和非线性流体力学。
CorPower 海洋公司的目标是在今年年底前安装其第一个全尺寸波浪能转换器型（图中显示为1/4比例的模型）进行海洋试验。图中是葡萄牙CorPower 海洋公司的总经理和该公司复合材料工作的领导者米格尔-席尔瓦HiWave-3是由InnoEnergy公司、苏格兰波浪能源公司和瑞典能源局资助的，一个为期三年的示范项目（2015-2018年），目标是制造一个称为C3的半尺寸波浪能转换器原型，并进行干测试。该项目指导了C4的设计，正如前面提到的，后者是第一个全尺寸的设备原型。在设计阶段的早期，CorPower 海洋公司进行了成本分析，比较和评估钢、铝和复合材料外壳的选择，同时考虑到设备的年能量生产和制造的成本效益。维德格尔说，在评估了几个小尺寸的模型后，长丝缠绕被证明是最轻的、最具经济性的制造工艺。最初，该设计是一个圆柱形的单层复合材料外壳。在C3和C4设计迭代过程中，开发团队使用带有外壳和锚泊系统的小尺寸模型进行了四次水箱测试活动，并进行了数字模拟。团队最终决定将设计调整为采用三明治结构的球形外壳，这样做可以使设备表面应力分布可更加均匀。帕特里克解释说：“球体是结构上最坚固的形状，可以承受来自海浪的外部高强水压。
最初的C3设计特点为圆柱形的外壳。每一轮的测试都带来了新的见解和设计创新。目前的C4迭代设备有19米高，可分解为两个部分：一个9米长的球形主外壳以及一个10米长的柱子，通过一个张紧的锚泊系统锚定在海洋底部。外壳是一个围绕10米心轴长丝缠绕的三明治组件；这包括一层结合了玻璃纤维粗纱和专门开发的141毫米宽织物带的内皮、一层迪博公司生产的Divinycell H结构芯用于增加强度和适应外壳的弧度、以及一层同样包括长丝缠绕的粗纱和织物外皮。迪博的市场部经理埃弗莱姆松称：“我们一直与CorPower海洋公司密切合作，为核心材料寻找最佳解决方案，确保暴露在恶劣条件下的结构的耐用性和较长的使用寿命。”该部件的整体厚度约为六厘米。在缠绕之后，每个外壳在机械系统、梯子和其他部件组装之前都会在室温下固化，最后外壳会被涂上一层胶衣以抵御紫外线。CorPower海洋公司的供应链和质量经理约翰森指出，虽然现阶段仍然需要通过海洋测试检验许多设备的指标，但可以肯定的是CorPower海洋公司在复合材料外壳的设计理念具有独到的见解，能够实现优秀的结构效率。本文由中国复合材料工业协会编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。
