海浪能和潮汐能――复合材料的新兴市场

     英国的Marine Current Turbines（MCT）公司与AEL有紧密合作，其1.2 MW的SeaGen型潮汐流发电机安装在北爱尔兰的Strangford海湾入口处。AEL为MCT最初的Seaflow发电机生产直径达11米的转子，并在英国德文郡的Lynmouth成功运转了几年；随后，它们为大型的SeaGen生产16米直径的转子。解决了初始阶段的问题（三个叶片由于控制系统出现问题而断裂）后，SeaGen现在运转良好，并为电网输入额定的电量。这些是MCT公司的技术总监Peter Frankel介绍的，他说SeaGen是进入该领域的第一个商业化规模的设备，也是安装在海上的全球最大的旋转机械。
     对于一定的涡轮系统，能量会随着介质密度和体积流速的变化而变化，因此从一定的水速中所得到的能量是从等速风速中获得的能量的10倍。因此水平轴潮汐流发电机的转子叶片相对于风力涡轮机来说要短且粗。SeaGen的16米的转子为相连的发电机提供足够的动力，转子转速在14 rpm（标准全流转速）左右时达到峰值功率。因此，转子的结构必须能够承受该转速下的剪切力、弯曲和扭矩载荷。水中颗粒对叶片的冲击可能会带来麻烦，因为发电机可能会沉到海底，低于转子所在水位，或者漂浮到水面上高于其水位。
        在海洋可再生能源发展的初级阶段，这些公司对于他们的技术还是比较谦虚的，因此我们可以获知SeaGen转子的一些结构细节。每个叶片包括一个中空的碳纤维复合材料箱式龙骨，作为主载荷承载部件；碳纤维加强筋和玻纤复合材料外壳粘结在该结构上。原来的Seaflow叶片是手工铺放的，该工艺已被碳纤或玻纤预浸料取代。迄今为止，ACG已成为主要材料的供应商，也提供开发技术。ACG的预浸材料包括用于加强筋的中等模量的单向碳纤维，铺放好的材料在大气压下于80℃干燥。整个结构所用树脂基体均为环氧树脂，因此具有良好的力学性能和抗水解性。
    各部件直接成型为最终形状，脱模后无需加工。叶片涂敷有胶衣和防垢涂层，避免海洋生物的侵蚀。
    叶片根部经过了特别的处理，因为水下转子要承受很高的根部弯矩。AEL开发了一种专有技术，可以将载荷逐渐从复合材料叶片转移到金属转子的轮毂和轴上。据说该专利系统优于以前的技术，生产成本也更低。该转子结构中就带有这种系统，可对载荷进行光纤监控。
    SeaGen的其他复合材料部件包括顶部外壳上的和支撑双涡轮的横梁上的GRP整流装置。接下来，MCT计划为英国北威尔士郡一个10.5 MW的潮汐流发电场提供设备。七台1.5 MW涡轮机的叶片与Seaflow和SeaGen一样是复合材料的。
    Strangford海峡位于北爱尔兰Strangford海湾的入口处，广受潮汐流发电机生产商的欢迎，他们希望在此证明并展示其技术。该地区以环境恶劣著称，在春潮期最高的潮汐速度可达10节（海里/小时）。在该海峡进行实验的另一种潮汐流系统还有Ocean Flow Energy公司的Evopod。与SeaGen不同，Evopod安装在固定在海底的桩上，是一种半潜水的漂浮装置，由固定的浮标保持在一定的位置。Evopod可以很容易地与束缚它的浮标分离，并放到岸上进行维修。
    立式叶片确保装置可以绕着浮标的旋转接头转动，因此总是面向水流的。这就无需在每次潮汐来临时总要反转转子叶片的斜度——这是固定涡轮机的一大问题。
    由于Evopod涡轮机位于海平面之下，不受湍流的影响，因此适用于海浪运动更大的潮汐区域内。它还能够用于流速较低的水域内，此时叶片相应的比较大。十分之一大小的1 kW的原型配有1.5米直径的转子，但这只是一个试验品，最终的1.5 MW的设备将配备9米长的叶片。下一步将是五分之一大小的原型，如果成功，就会连接到公共电网上。
    据Ocean Flow公司总经理Graeme Mackie介绍，转子叶片将由玻纤增强环氧复合材料制成，最大型的叶片则有选择性地采用碳纤维来加固。Mackie正在三家复合材料生产商之间进行选择，以便确定谁将成为最终的供应商。
    “我们在需要轻质、高强度和耐腐蚀性的设备上都采用复合材料，目前主要是在转子上。”他解释，“非动态部件采用钢材。之所以如此选用材料，是因为早先制得的钢质结构在快速的水流中，发生了严重的电腐蚀，比我们预想的要严重。”
    十分之一大小的机器采用了一种改进的风力涡轮机叶片。Mackie说，虽然其转动速度比风力涡轮机低得多，但运行状况良好。未来的完整大小的叶片将进行专门的结构优化，以适应复合材料的加工工艺。
    纤维增强塑料（FRP）也将用于系统其他部件的制备，包括漂浮元件，FRP可用于制造漂浮结构本身，也可为其他材料提供覆材。          
    摇摆水翼