海浪能和潮汐能――復合材料的新興市場

     英國的Marine Current Turbines（MCT）公司與AEL有緊密合作，其1.2 MW的SeaGen型潮汐流發電機安裝在北愛爾蘭的Strangford海灣入口處。AEL為MCT最初的Seaflow發電機生產直徑達11米的轉子，并在英國德文郡的Lynmouth成功運轉了幾年；隨后，它們為大型的SeaGen生產16米直徑的轉子。解決了初始階段的問題（三個葉片由于控制系統出現問題而斷裂）后，SeaGen現在運轉良好，并為電網輸入額定的電量。這些是MCT公司的技術總監Peter Frankel介紹的，他說SeaGen是進入該領域的第一個商業化規模的設備，也是安裝在海上的全球最大的旋轉機械。
     對于一定的渦輪系統，能量會隨著介質密度和體積流速的變化而變化，因此從一定的水速中所得到的能量是從等速風速中獲得的能量的10倍。因此水平軸潮汐流發電機的轉子葉片相對于風力渦輪機來說要短且粗。SeaGen的16米的轉子為相連的發電機提供足夠的動力，轉子轉速在14 rpm（標準全流轉速）左右時達到峰值功率。因此，轉子的結構必須能夠承受該轉速下的剪切力、彎曲和扭矩載荷。水中顆粒對葉片的沖擊可能會帶來麻煩，因為發電機可能會沉到海底，低于轉子所在水位，或者漂浮到水面上高于其水位。
        在海洋可再生能源發展的初級階段，這些公司對于他們的技術還是比較謙虛的，因此我們可以獲知SeaGen轉子的一些結構細節。每個葉片包括一個中空的碳纖維復合材料箱式龍骨，作為主載荷承載部件；碳纖維加強筋和玻纖復合材料外殼粘結在該結構上。原來的Seaflow葉片是手工鋪放的，該工藝已被碳纖或玻纖預浸料取代。迄今為止，ACG已成為主要材料的供應商，也提供開發技術。ACG的預浸材料包括用于加強筋的中等模量的單向碳纖維，鋪放好的材料在大氣壓下于80℃干燥。整個結構所用樹脂基體均為環氧樹脂，因此具有良好的力學性能和抗水解性。
    各部件直接成型為最終形狀，脫模后無需加工。葉片涂敷有膠衣和防垢涂層，避免海洋生物的侵蝕。
    葉片根部經過了特別的處理，因為水下轉子要承受很高的根部彎矩。AEL開發了一種專有技術，可以將載荷逐漸從復合材料葉片轉移到金屬轉子的輪轂和軸上。據說該專利系統優于以前的技術，生產成本也更低。該轉子結構中就帶有這種系統，可對載荷進行光纖監控。
    SeaGen的其他復合材料部件包括頂部外殼上的和支撐雙渦輪的橫梁上的GRP整流裝置。接下來，MCT計劃為英國北威爾士郡一個10.5 MW的潮汐流發電場提供設備。七臺1.5 MW渦輪機的葉片與Seaflow和SeaGen一樣是復合材料的。
    Strangford海峽位于北愛爾蘭Strangford海灣的入口處，廣受潮汐流發電機生產商的歡迎，他們希望在此證明并展示其技術。該地區以環境惡劣著稱，在春潮期最高的潮汐速度可達10節（海里/小時）。在該海峽進行實驗的另一種潮汐流系統還有Ocean Flow Energy公司的Evopod。與SeaGen不同，Evopod安裝在固定在海底的樁上，是一種半潛水的漂浮裝置，由固定的浮標保持在一定的位置。Evopod可以很容易地與束縛它的浮標分離，并放到岸上進行維修。
    立式葉片確保裝置可以繞著浮標的旋轉接頭轉動，因此總是面向水流的。這就無需在每次潮汐來臨時總要反轉轉子葉片的斜度——這是固定渦輪機的一大問題。
    由于Evopod渦輪機位于海平面之下，不受湍流的影響，因此適用于海浪運動更大的潮汐區域內。它還能夠用于流速較低的水域內，此時葉片相應的比較大。十分之一大小的1 kW的原型配有1.5米直徑的轉子，但這只是一個試驗品，最終的1.5 MW的設備將配備9米長的葉片。下一步將是五分之一大小的原型，如果成功，就會連接到公共電網上。
    據Ocean Flow公司總經理Graeme Mackie介紹，轉子葉片將由玻纖增強環氧復合材料制成，最大型的葉片則有選擇性地采用碳纖維來加固。Mackie正在三家復合材料生產商之間進行選擇，以便確定誰將成為最終的供應商。
    “我們在需要輕質、高強度和耐腐蝕性的設備上都采用復合材料，目前主要是在轉子上。”他解釋，“非動態部件采用鋼材。之所以如此選用材料，是因為早先制得的鋼質結構在快速的水流中，發生了嚴重的電腐蝕，比我們預想的要嚴重。”
    十分之一大小的機器采用了一種改進的風力渦輪機葉片。Mackie說，雖然其轉動速度比風力渦輪機低得多，但運行狀況良好。未來的完整大小的葉片將進行專門的結構優化，以適應復合材料的加工工藝。
    纖維增強塑料（FRP）也將用于系統其他部件的制備，包括漂浮元件，FRP可用于制造漂浮結構本身，也可為其他材料提供覆材。          
    搖擺水翼