至2020年底，全球累計開發(fā)的海洋再生能源（包括波浪能和潮汐能）發(fā)電裝置容量達(dá)到65MW[1]，而2020年底全球已開發(fā)的海洋風(fēng)力發(fā)電裝置竟高達(dá)35GW[2]。兩類海洋可再生能源發(fā)展的巨大差距說明承受海洋波力載荷發(fā)電裝置的技術(shù)難度和開發(fā)成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于承受風(fēng)力載荷的發(fā)電裝置。
1.簡介
WaveBooster波浪能項(xiàng)目是歐盟水平線H2020計劃基金資助CorPower Ocean AB開發(fā)的波浪能發(fā)電裝置，預(yù)算金額達(dá)到3988,744歐元[3]。CorPower波浪能項(xiàng)目獲得較大資助金額還有EEA歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)近500,000歐元贈款。
最初，瑞典發(fā)明家、心臟病專家Stig Lundback根據(jù)人體心臟泵血原理提出了捕獲波浪能的初始設(shè)想。2011年，Lundback聯(lián)同技術(shù)型企業(yè)家Patrik Moller（CEO）組建CorPower海洋公司，開始研發(fā)波浪能發(fā)電裝置。從2012年─2017年，完成了波浪能裝置C1階段的概念驗(yàn)證，C2及C3階段的吸收波浪能浮體、PTO（Power Take-off，動力收集系統(tǒng)）與其它關(guān)鍵系統(tǒng)的陸上及海洋環(huán)境的試驗(yàn)驗(yàn)證。
圖1 CorPower的波浪能WaveBoost項(xiàng)目C4階段第1臺全尺寸樣機(jī)布置示意圖，球形浮體直徑為9m。
2018年在葡萄牙維亞納堡實(shí)施C4階段全尺寸樣機(jī)項(xiàng)目試驗(yàn)驗(yàn)證，建造全尺寸波浪能裝置（見圖1）并進(jìn)行陸地試驗(yàn)、取證，以及部署在維亞納堡港口臨近海岸進(jìn)行海上試驗(yàn)。其后的第5階段至2023年，將建造、安裝和運(yùn)行其余3臺全尺寸波浪能發(fā)電裝置。
CorPower波浪能裝置為單點(diǎn)吸收式波浪發(fā)電裝置，分別由吸收波能的浮體（一級能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)）、PTO（二、三級能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)）、預(yù)張緊錨固系統(tǒng)、模塊接口（包括電網(wǎng)接頭、快速固定連接接頭等）組成。浮體在波浪的作用下產(chǎn)生上、下運(yùn)動。CorPower開發(fā)了Cascade齒輪箱，可將上下的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為單向轉(zhuǎn)動，帶動300kW發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由Cascade齒輪箱與發(fā)電機(jī)組成的（波浪）動力收集系統(tǒng)（PTO）可將吸收波浪能后的浮體上下動能轉(zhuǎn)換為Cascade齒輪箱輸出法蘭的單向旋轉(zhuǎn)動能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，見圖2[3]。
圖2 CorPower早期C3階段波浪發(fā)電裝置及動力收集系統(tǒng)示意圖
浮體采用預(yù)張緊錨固系統(tǒng)系固在海底。波浪能裝置還具有相位調(diào)節(jié)能力，可使升沉運(yùn)動的浮體與有規(guī)律的入射海浪波諧振，以放大浮體升沉運(yùn)動收集更多的波浪能量。
2.球形浮體的結(jié)構(gòu)及纏繞成型工藝
2.1 浮體材料
浮體浸沒在海水中為耐壓容器。浮體要承受較大的慣性載荷，還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度在承受強(qiáng)風(fēng)浪的條件下，吸收更多的波浪能量轉(zhuǎn)換成電能，并傳送至電力網(wǎng)絡(luò)鏈。
這使浮體要承受一定的動載荷；浮體的核心要求之一是持久性與環(huán)境適應(yīng)性：其全生命周期應(yīng)不少于20年，計劃維修間隔周期為5年；浮體最重要的核心要求是重量應(yīng)盡可能輕，以易于調(diào)節(jié)波浪能裝置的運(yùn)動。
早在設(shè)計初期，CorPower項(xiàng)目團(tuán)隊就對鋼質(zhì)、鋁質(zhì)及復(fù)合材料浮體進(jìn)行了成本分析。通過數(shù)個次量級別模型的對比分析，評估各種材質(zhì)的裝置的年理論發(fā)電量、性價比和制造工藝流程及制造成本，最終確定浮體為增強(qiáng)玻璃纖維纏繞成型。
2.2 球形浮體結(jié)構(gòu)
最初，吸收波浪能的浮體為單層合板的圓柱結(jié)構(gòu)。通過幾輪反復(fù)的設(shè)計迭代與水池試驗(yàn)，在CorPower波浪能裝置C4全尺寸工業(yè)級樣機(jī)階段浮柱更新為球狀浮體，見圖1[1]。
球形浮體的好處有：
- 球形是最佳的耐壓容器結(jié)構(gòu)形狀；
- 球形結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布均勻，避免了浮柱底部結(jié)構(gòu)、外圓柱面板與壁板連接結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象；
- 海浪砰擊壓力小，以及球形在海水中運(yùn)動阻力小。
C4版本的浮體有19m高，分為兩大部件：一是直徑9m的球形主浮體與10m高的（小直徑）柱體。球形主浮體為繞10m長的芯軸進(jìn)行玻璃纖維濕法纏繞的三明治結(jié)構(gòu)。
浮體球壁總厚度為60mm。其內(nèi)層：在芯模上纏繞玻璃纖維粗紗與141mm寬的纖維織布增強(qiáng)帶。中間芯層采用戴鉑公司的Divinycell H（一種閉孔PVC），泡沫材料內(nèi)部的閉孔結(jié)構(gòu)使其具有良好的低吸水率、樹脂吸收率極低，可與大多數(shù)膠和樹脂體系相容。Divinycell泡沫的加工也方便快捷。對于浮體負(fù)曲率部位采用PVC泡沫進(jìn)行填充。球壁結(jié)構(gòu)外層與內(nèi)層一致，在加工后的芯層泡沫外表面上，采用玻纖粗紗與玻纖布增強(qiáng)帶纏繞成型。
纖維纏繞成型后，在機(jī)械系統(tǒng)、梯子及其他附件安裝前，浮體在室溫下固化。最后，浮體采用防紫外線的聚膠凝膠漆涂裝。
2.3 球形浮體三明治結(jié)構(gòu)纏繞成型工藝
（1）纏繞CAM軟件
復(fù)合材料浮體的設(shè)計采用SolidWorks軟件。浮體的結(jié)構(gòu)評估采用ANSYS軟件，運(yùn)動和負(fù)荷分析采用Orcaflex軟件。球形浮體纏繞成型采用CADFil軟件進(jìn)行纖維纏繞路徑設(shè)計。
（2）小尺寸試驗(yàn)樣件纏繞工藝
早期小尺寸錐-柱-錐形浮體試驗(yàn)樣件，根據(jù)浮體承受靜水壓力、底部拍擊與波浪砰擊載荷，設(shè)計出浮體結(jié)構(gòu)為單層層合板結(jié)構(gòu)。
浮體纏繞成型工藝為：先分別纏繞上下錐面、柱面，芯?？蓮母髦破返拈_口端脫模。錐面制作也有噴紗成型的試驗(yàn)；分別制作浮體內(nèi)部各連接加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)；利用連接加強(qiáng)筋將錐面-柱面-錐面制品組裝成浮體芯模；玻璃纖維在（鉛筆型）芯模上的纏繞大多采用極孔纏繞路徑。
玻璃纖維的纏繞角、纏繞路徑與纏繞層數(shù)根據(jù)浮體各部位的受載、強(qiáng)度與穩(wěn)定性要求設(shè)計。
（3）復(fù)合材料球形主浮體纏繞工藝
根據(jù)小尺寸樣件纏繞工藝可以推測球形浮體三明治結(jié)構(gòu)的纏繞工藝為：
- 先用玻璃纖維纏繞分別纏繞上、下球面，芯模從各球面制品開口端脫模；
- 制作浮體內(nèi)的連接加強(qiáng)筋；
- 用連接加強(qiáng)筋將上下球面組裝成球形浮體的內(nèi)層；
- 在內(nèi)層上鋪放PVC泡沫芯層，對芯層外表面進(jìn)行加工處理；
- 在芯層外表面纏繞球形主浮體的外層。
同樣，玻璃纖維在球形體上大多采用極孔纏繞，見圖3。
圖3 1/4尺寸球形浮體樣件玻璃纖維纏繞試驗(yàn)（纏繞外層）
3.移動式柔性模塊化纏繞機(jī)
3.1 大尺度復(fù)合材料纏繞機(jī)的需求
纏繞復(fù)合材料球體可采用5軸聯(lián)動纏繞機(jī)。纏繞直徑9m球體時，纏繞機(jī)主軸中心線應(yīng)高于地面4.6m以上，基座需長45英尺（13.73m），要求48小時內(nèi)生產(chǎn)一個復(fù)合材料球形浮體。大型復(fù)合材料纏繞機(jī)通常是永久固定安裝在具有環(huán)控條件的廠房內(nèi)。但是，將生產(chǎn)出的大尺度浮體從制造中心場地陸路運(yùn)至港口是十分困難的，費(fèi)用也會十分高昂。這就需要在港口附近設(shè)置制造浮體的臨時工廠，要求復(fù)合材料纏繞機(jī)能夠以集裝箱形式運(yùn)至臨近港口的臨時工廠。
3.2 復(fù)合材料纏繞機(jī)模塊
（1）總體結(jié)構(gòu)
可纏繞直徑9m球體的移動式纏繞機(jī)由荷蘭的Autonational公司研制。創(chuàng)新地將臥式、單小車布局的5軸聯(lián)動纏繞機(jī)分為3個模塊，見圖4[1]。3模塊的底座皆為集裝箱標(biāo)準(zhǔn)尺寸。
圖4 移動式柔性復(fù)合材料纏繞機(jī)模塊（包括主軸箱、尾座與小車架三模塊） 纏繞1/4尺寸球形浮體樣件
（2）主軸箱模塊與尾座模塊
通常臥式纏繞機(jī)的主軸箱、尾座安裝在主床身中心線兩端。Autonational移動式纏繞機(jī)簡化為主軸箱與尾座兩模塊，省卻了主床身。通過調(diào)整主軸箱與尾座模塊之間的軸向（X向）間距，就可纏繞長度不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。
主軸箱模塊內(nèi)有電主軸與自動對中夾頭。尾座模塊含有精密尾座軸承與自動對中夾頭。主軸箱模塊與尾座模塊的下方由鋼結(jié)構(gòu)三角架、（集裝箱）標(biāo)準(zhǔn)底座組成。根據(jù)纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件直徑大小，在三角架與底座之間加入立方形鋼結(jié)構(gòu)件，通過抬高主軸中心線距地面的高度，以實(shí)現(xiàn)直徑9m復(fù)合材料球狀浮體的纏繞成型。（集裝箱）標(biāo)準(zhǔn)底座既是運(yùn)輸?shù)鬃彩悄K的安裝底座。
（3）纏繞小車模塊
纏繞小車模塊包括有（集裝箱）標(biāo)準(zhǔn)底座與兩平行間距的圓柱導(dǎo)軌、機(jī)架結(jié)構(gòu)、伸臂、浸膠及溫控系統(tǒng)、紗箱、張力系統(tǒng)等。
圖5 伸臂前端上方可轉(zhuǎn)動絲嘴
長約13.8m兩平行圓柱導(dǎo)軌與主軸中心線平行。纏繞小車（含伸臂）可沿圓柱導(dǎo)軌水平地沿X軸向往復(fù)移動。
伸臂為剛度較強(qiáng)的懸臂梁機(jī)架，下方配有數(shù)字油缸，可使伸臂機(jī)架沿Y軸方向伸縮移動。伸臂前端上方配有絲嘴，絲嘴可上下垂直移動和轉(zhuǎn)動，見圖5[4]。
3.3 纏繞機(jī)模塊的運(yùn)輸
纏繞機(jī)3模塊的安裝底座是按集裝箱標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)計的。3模塊運(yùn)輸前需拆除抬高機(jī)身的立體機(jī)架，伸臂旋轉(zhuǎn)90°，裝上箱側(cè)壁板，在模塊上方加“上蓋”。3模塊就可按集裝箱由集卡陸運(yùn)或船運(yùn)。
4.結(jié)束語
復(fù)合材料浮體是吸收波浪能的最佳材料與結(jié)構(gòu)，是最簡易的一級波浪能轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，制造簡單快捷。在其使用的全壽期內(nèi)維護(hù)工作量少，在當(dāng)前開發(fā)利用波浪能的所有裝置中具有明顯的優(yōu)勢。
研制移動式復(fù)合材料纏繞機(jī)模塊的AUTONATIONAL公司表示：可以在任何需要的地方生產(chǎn)復(fù)合材料浮體。
移動式復(fù)合材料纏繞機(jī)模塊與常規(guī)纏繞機(jī)相比，在其運(yùn)輸后的安裝調(diào)試有較多的嚴(yán)格工作要求。
參考文獻(xiàn)： [1] HANNAH MASON（Associate Editor，Composite World），Industrial-scale Wave Energy System Enabled by Mobile Filament Winding. [2] GWEC，GLOBAL OFFSHORE WIND REPORT 2021. [3] Matt Dickson（CorPower AB），WaveBoost ADVANCED POWER TAKE-OFF SOLUTION FOR WAVE ENERGY CONVERTER（WEC），Project Overview and Summary. [4] AUTONATIONAL，“Our winding machines continue to prove everything”.
