海力士正在推动交通运输的未来
CorPower复合浮标

更新,球形设计。CorPower Ocean的海浪能量转换器(WEC)经历了几次设计迭代,该公司致力于测试和扩大其工业规模的可再生能源的海洋能源技术。这一最新的球形迭代的第一个全尺寸原型,被称为C4,将于2021年底部署进行海洋测试。图片来源,所有图片:CorPower Ocean

据统计,截至2020年底,海洋能源(结合波浪能和潮汐能)的全球累计能量容量达到约65兆瓦(MW),这一数字自2017年以来翻了一番多最新的报告从…起海洋能源系统(OES)的一项政府间合作国际能源机构(IEA,巴黎,法国)。然而,要实现OES的目标,即到2050年全球海洋能源容量达到300吉瓦(GW),还有很长的路要走。

一种很有前途的海洋能源技术是海浪能转换器(WEC),这种设备利用海浪的运动来发电。人们已经开发了各种类型的WECs,其中许多概念都以类似于水力涡轮机的方式工作:一个柱状、叶片状或浮标状的装置位于水面或水下,在那里它们捕捉海浪作用于该装置产生的能量。然后,这些能量被转移到一台发电机上,发电机将其转化为电能。

海浪是相对均匀和可预测的,但海浪能——像大多数其他类型的可再生能源,包括太阳能和风能——仍然是一种可变的能源,根据风力和天气条件等因素,在不同的时间产生或多或少的能量。因此,设计可靠且具有竞争力的WECs的两个关键挑战是耐久性和效率:该系统需要能够在大型海洋风暴中生存,并在最佳条件下有效捕获能源,以满足年度能源生产(AEP)目标,并降低电力成本。

WEC开发者的第一个全尺寸原型CorPower海洋s(瑞典斯德哥尔摩)9米直径的球形浮标WEC预计将在今年年底进行首次海洋试验。在设计该系统时,该公司发现纤维缠绕玻璃纤维复合材料是制造其大型浮标壳体最有效、最具成本效益的解决方案。经过几年的小规模测试,第一个全尺寸原型机是通过与中国合作开发的定制纤维缠绕系统制造的Autonational BV(Iljst、荷兰)。

设计一种复合外壳WEC:重量轻,效率高

全规模原型机将于2021年底投入使用,但CorPower Ocean公司自2011年以来一直在开发该系统,当时瑞典发明家和心脏病学家Stig Lundbäck在模仿人类心脏泵送原理的基础上,提出了一个能量捕捉浮标系统的初步想法。2011年,Lundbäck与后来成为CorPower Ocean首席执行官的科技企业家帕特里克•Möller合作,启动了一个结构化产品开发项目。

在CorPower公司的WEC蓝黄漆复合船体内部,有一个系统可以将浮标的运动转化为电力。气动预张紧装置利用压力来平衡水面上的浮标。当一个波浪推动浮标向上时,系统将能量储存为加压空气,然后用加压空气驱动浮标向下(类似于人类心脏在泵吸时储存和流动能量的方式),在两个方向产生相等的能量,并通过浮标内部的机电传动系统转换成电力(详见下面的视频). 2014年,通过与研究人员的合作,在WEC设计中增加了一个控制系统挪威科技大学(NTNU,特隆赫姆),据说可以放大从这个系统捕获的能量。每台设备的设计功率为300千瓦。

船体本身“相当于风力涡轮机的叶片”。CorPower ocean的高级复合材料设计工程师Javier Verdeguer解释道。

Verdeguer说,WEC系统的核心要求之一是重量轻。在正常情况下,较轻的设备能够更容易控制,并能吸收更多功率,在风暴条件下,它有助于避免系统上的高负载。耐久性也是一个重要因素:WEC的设计寿命超过20年,每五年定期维护一次。

船体使用SolidWorks软件设计达索系统沃尔瑟姆,质量。,美国),其次是卡非(英国凯格沃斯)为复合材料缠绕路径设计,有限元分析软件用于结构评估和Orcaflex的软件(美国宾夕法尼亚州佳能斯堡)(Orcina,英国,阿尔维斯顿)的运动和负载。根据Möller,一个专有的无线电波传输系统利用数值建模工具确定和模拟设备的运动,包括非线性损失、运动阻尼的实时控制和非线性流体动力学。

CorPower复合浮标

工业级波浪能,纤维缠绕复合材料。CorPower Ocean公司的目标是在今年年底前安装其首个全尺寸波浪能转换器(WEC)原型(如图所示为1/4比例模型),用于海洋试验。图为Miguel Silva, CorPower Ocean葡萄牙公司的总经理,同时也是该公司复合材料项目的负责人。图片来源,所有图片:CorPower Ocean

HiWave-3由InnoEnergy、苏格兰波浪能源和瑞典能源署资助,是一个为期三年(2015-2018年)的示范项目,用于制造和干式测试半尺寸的WEC原型,称为C3。这一发展指导了C4的设计,这是第一个将于今年安装的全尺寸系统。

在设计阶段早期,CorPower Ocean进行了成本分析,以比较和评估钢、铝和复合材料船体选项,同时考虑装置的年能源产量(AEP)和成本效益制造。Verdeguer说,在评估了几种小尺寸模型后,纤维缠绕被证明是最轻的材料,具有最具成本效益的制造工艺。

CorPower复合浮标

迭代设计。最初的C3设计采用圆柱形壳体。每一轮测试都带来了新的见解和设计创新。

最初,设计是一个圆柱形,单皮肤复合船体。C3和C4设计迭代,四个柜的测试活动使用船体和系泊系统的模型,以及数字模拟,和团队最终决定进化设计成球形外壳的形状,沿着其表面压力分布更均匀,三明治结构。“球体是你能从(来自海浪的)外部水力压力中获得的结构最强的形状。”莫勒解释道。

该装置目前的C4迭代版本高19米,分为两个部分:一个9米长的球形主体或船体,以及一个10米长的立柱,立柱通过张力系泊系统固定在海底。船体是一个三明治组件细丝缠绕在一个10米长的心轴上;这包括内部皮肤 结合玻璃纤维粗纱和专门开发的141毫米宽的织物带,一层迪亚卜(瑞典赫尔辛堡)迪维尼塞尔H结构核心为强度和适应船体的曲率而设计,以及也包括长丝缠绕粗纱和织物的外层皮肤。Diab市场部门经理Lars-Magnus Efraimsson表示:“我们一直在与CorPower密切合作,寻找核心材料的最佳解决方案,以确保结构在恶劣条件下的耐久性和长寿命。”

零件的总厚度约为6厘米。纤维缠绕后,在组装机械系统、梯子和其他部件之前,每个壳体在室温下固化,最后的壳体涂上一层凝胶涂层以防紫外线。

CorPower ocean的供应链和质量经理Tord Jonsson指出:“当然,我们还需要(通过海洋测试)证明许多东西,但我们有一个非常好的复合材料船体概念,具有很高的结构效率。”

移动式、大型、自动化缠绕长丝

一旦确定了复合材料的设计,一个挑战就是找到一种能够建造大的、圆形的空心结构的制造工艺。据琼森称,通过纤维缠绕制造比制造金属部件更划算、更快。CorPower的目标是在48小时内每个纤维缠绕单元生产一个浮标,他补充说,“能够在高速下高度精确地铺设纤维非常重要,我们可以通过纤维缠绕实现这一点。”

Autonational BV的市场和销售经理Harry Fietje解释说,一个典型的纤维缠绕系统通常会永久安装在工厂环境中。然而,考虑到浮标的大小、运输成本和相关的CO2如果CorPower将船体从一个中心制造地点运输到全球安装地点,排放量将很高,因此该公司开始寻找一种制造工艺,使其能够在部署地点附近的当地设施中快速生产浮标。Fietje说,市场上已经有几种移动式灯丝缠绕系统,但其中许多也可能难以运输且成本高昂。

复合波能转换器用纤维缠绕机

柔性,可移动的纤维缠绕。Autonational BV公司开发的一种定制的纤维缠绕系统(图为Autonational公司在荷兰的工厂测试一个小尺寸模型)能够缠绕四种材料、直径9米的船体,并且在移动设备之间易于运输。

复合波能转换器用纤维缠绕机

Autonational公司的工程部门与CorPower Ocean公司合作,开发了自己的移动系统,包括一个位于45英尺长的底座上的长丝卷线机,该底座也用作集装箱的下半部分。当需要运输时,整个卷取机可以旋转90度以适应基础容器,并在其顶部关闭盖子。Fietje说,由此产生的系统很容易通过船只或卡车运输到CorPower将生产浮标的海岸线,然后在大约两天或更短的时间内安装完毕。他说:“我们面临的挑战是,要确保灯丝缠绕系统像工厂安装的典型系统一样坚固和功能齐全,但同时又要使其轻便和可移动。”“据我所知,这是前所未有的。”

长丝卷取机本身包括一个自动携带系统,可以将纤维放到一个10米长、9米直径的芯轴上。“通常情况下,你只需要1-3米,但这个浮标的直径特别大,”Fietje说。除了用粗纱和织物湿式缠绕外,该系统还可以喷射短切玻璃纤维和绝缘泡沫。泡沫可以喷在预缠绕的内层皮肤上,然后加工成型,再用材料缠绕外层皮肤。他说:“通常情况下,你只有一种或两种材料想要使用,但这些浮标要求系统使用来自同一台机器的[多达]四种材料。”

由于该系统的尺寸,必须包括特殊设施,如人工操作步骤,安装在输送工具、树脂浸渍系统、筒管和筒子架上的五个摄像头,以便操作人员一次看到机器的所有部分。传感器,如编码器和感应传感器,也嵌入控制树脂温度.纤维缠绕机还具有可拆卸的尾股,便于零件拆卸。

复合波能转换器用纤维缠绕机

全面的准备。上图中,风车被卡车运到CorPower Ocean公司位于葡萄牙的移动工厂,用于建造首个全尺寸原型机。最终,CorPower公司计划同时安装和运行几个移动卷风机,以快速生产具有数千个单元的WEC农场。

Fietje说,卷绕机的开发涉及到Autonational和CorPower之间的大量交流。他解释说:“我们在开发这台机器的同时,他们也在进行原型设计,所以随着设计的发展,新的功能被添加了进来。”

“Autonational不仅仅是一家机器供应商;他们还是我们的一个非常有发言权的合作伙伴,帮助并指导我们采用不同的技术解决方案,使这台非常大的机器成为他们制造过的最大的机器。对于我们来说,这台机器是非常灵活的,能够容纳任何新材料或材料,这一点也非常重要我们可能会有设计上的改变,”琼森说。

HiWave-5:迈向商业化的下一阶段

在Autonational的工厂验证了机器后,最后的卷料机被卡车运到了葡萄牙Viana do Castelo的一个临时生产设施,用于HiWave-5。HiWave-5示范项目于2018年启动,旨在建造、干燥测试、认证和海洋测试全尺寸WECs。目前,CorPower Ocean公司正处于五阶段项目的第四阶段,目标是C4原型机的海洋测试。在第五阶段,将在2023年前建造并部署另外三辆全尺寸WECs,称为C5。

Viano do Castelo临时生产复合波能转换器

第一移动工厂。CorPower Ocean公司在葡萄牙北部建造了这个临时生产设施。在这里,WEC船体被制造,其余部件被组装,WEC已经准备好在附近的海岸部署。

Verdeguer说:“我们一直遵循循序渐进的方法来开发我们的产品,在任何东西安装到海洋之前,我们都要经过非常广泛的干燥测试。”例如,在与船体集成并在海洋中安装之前,该浮标的内部传动系统在CorPower ocean公司的瑞典工厂进行了测试和稳定,在一个陆上测试平台上模拟了最恶劣的风暴条件下的波浪载荷。

对于HiWave-5, CorPower Ocean公司在葡萄牙北部的Viana do Castelo商业港口投资了一个陆上设施,其中包括用于复合材料船体缠绕以及WEC系统的最终组装和维护的移动工厂单元。

全球安装:与海上风能合作

最终,CorPower公司的WEC设计用于安装在数百台甚至数千台的海上风力发电场,并可以与海上风力发电场共存。Jonsson指出,“结合使用我们的技术(与其他形式的可再生能源)可以降低与联合农场的电力出口基础设施相关的成本,这是肯定的,同时,这种组合也将减少电力生产的可变性,为农场主提供更有价值的产品,帮助他们以可靠的方式过渡到完全脱碳的能源系统。”据CorPower Ocean称,其WEC设备每公吨可提供的能量比竞争对手的海浪能技术多5倍,使海浪能达到与海上风能类似的结构效率水平。

CorPower海洋复合浮标的波浪能场

结合可再生能源。该模拟演示了CorPower Ocean在近海风电场附近部署WEC风电场的想法,以降低基础设施成本并补充风能。

在HiWave-5成功完成后,CorPower Ocean计划在2025年安装其首个15-30个单元的商业农场。从那里开始,CorPower Ocean将扩大农场的规模,并开始在全球安装浮标系统,建立移动工厂,就像目前在葡萄牙建立的工厂一样,进行现场制造和组装。琼森说:“这就是我们与Autonational合作开发这款移动机器的原因,这样我们就可以把它装在三个集装箱里,然后运送到世界各地。”“我们在现场制造船体,然后整合传动系统和其他内部机械部件,当缠绕单元移动到下一个客户现场时,我们已经准备好部署船体。”

除了商业安装,CorPower Ocean还致力于降低成本,目标是将能源成本(LCOE)控制在每兆瓦时40欧元以下。随着技术的进步,琼森预计他们将能够进一步优化材料、设计和工艺,以提高设备的效率。

Verdeguer补充说:“我们的最终目标是,我们的技术将成为风能和太阳能的补充,为全球实现100%可再生能源系统提供成本最低、最可靠的途径。”

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