【复材资讯】欧洲海洋工程波浪能利用项目复合材料浮体缠绕成型技术 - 海洋工程材料

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据2021年统计，全球累计开发的海洋工程再生能源（包括波浪能和潮汐能）发电装置容量达到65MW，而2020年底全球已开发的海洋风力发电装置竟高达35GW。两类海洋工程可再生能源发展的巨大差距说明承受海洋波力载荷发电装置的技术难度和开发成本要远远大于承受风力载荷的发电装置。

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图1 CorPower的波浪能WaveBoost项目C4阶段第1台全尺寸样机布置示意图，球形浮体直径为9m

2018年在葡萄牙维亚纳堡实施C4阶段全尺寸样机项目试验验证，建造全尺寸波浪能装置（见图1）并进行陆地试验、取证，CorPower波浪能装置为单点吸收式波浪发电装置，分别由吸收波能的浮体（一级能量转换结构）、PTO（二、三级能量转换机构）、预张紧锚固系统、模块接口（包括电网接头、快速固定连接接头等）组成。浮体在波浪的作用下产生上、下运动。CorPower开发了Cascade齿轮箱，可将上下的往复运动转换为单向转动，带动300kW发电机运转。由Cascade齿轮箱与发电机组成的（波浪）动力收集系统（PTO）可将吸收波浪能后的浮体上下动能转换为Cascade齿轮箱输出法兰的单向旋转动能，再由发电机将机械能转换为电能，见图2。

图2 CorPower早期C3阶段波浪发电装置及动力收集系统示意图

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浮体采用预张紧锚固系统系固在海底。波浪能装置还具有相位调节能力，可使升沉运动的浮体与有规律的入射海浪波谐振，以放大浮体升沉运动收集更多的波浪能量。

球形浮体的结构及缠绕成型工艺

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早在设计初期，CorPower项目团队就对钢质、铝质及复合材料浮体进行了成本分析。通过数个次量级别模型的对比分析，评估各种材质的装置的年理论发电量、性价比和制造工艺流程及制造成本，最终确定浮体为增强玻璃纤维缠绕成型。

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根据小尺寸样件缠绕工艺可以推测球形浮体三明治结构的缠绕工艺为：

先用玻璃纤维缠绕分别缠绕上、下球面，芯模从各球面制品开口端脱模；

制作浮体内的连接加强筋；

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用连接加强筋将上下球面组装成球形浮体的内层；

在内层上铺放PVC泡沫芯层，对芯层外表面进行加工处理；

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在芯层外表面缠绕球形主浮体的外层。

同样，玻璃纤维在球形体上大多采用极孔缠绕，见图3。

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图3 1/4尺寸球形浮体样件玻璃纤维缠绕试验（缠绕外层）

缠绕复合材料球体可采用5轴联动缠绕机。缠绕直径9m球体时，缠绕机主轴中心线应高于地面4.6m以上，基座需长45英尺（13.73m），要求48小时内生产一个复合材料球形浮体。大型复合材料缠绕机通常是永久固定安装在具有环控条件的厂房内。但是，将生产出的大尺度浮体从制造中心场地陆路运至港口是十分困难的，费用也会十分高昂。这就需要在港口附近设置制造浮体的临时工厂，要求复合材料缠绕机能够以集装箱形式运至临近港口的临时工厂。

复合材料缠绕机模块总体结构

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可缠绕直径9m球体的移动式缠绕机由荷兰的Autonational公司研制。创新地将卧式、单小车布局的5轴联动缠绕机分为3个模块，见图4。3模块的底座皆为集装箱标准尺寸。

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图4 移动式柔性复合材料缠绕机模块（包括主轴箱、尾座与小车架三模块） 缠绕1/4尺寸球形浮体样件

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图5 伸臂前端上方可转动丝嘴

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长约13.8m两平行圆柱导轨与主轴中心线平行。缠绕小车（含伸臂）可沿圆柱导轨水平地沿X轴向往复移动。

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复合材料浮体是吸收波浪能的最佳材料与结构，是最简易的一级波浪能转换结构，制造简单快捷。在其使用的全寿期内维护工作量少，在当前开发利用波浪能的所有装置中具有明显的优势。研制移动式复合材料缠绕机模块的AUTONATIONAL公司表示：可以在任何需要的地方生产复合材料浮体。移动式复合材料缠绕机模块与常规缠绕机相比，在其运输后的安装调试有较多的严格工作要求。

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文章来源：复材网

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