海浪能和潮汐能――復(fù)合材料的新興市場(chǎng)

    雖然潛水式水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是常用的潮汐流發(fā)電方式，但旋轉(zhuǎn)機(jī)械在水下有可能會(huì)遭到破壞，有些設(shè)計(jì)者已經(jīng)提出了替代方案。其中一種方案就是安裝水平的搖擺水翼。每個(gè)翼片的角度可以任意傾斜，從而抵抗洶涌的水流引起的外部壓力，翼片則被推上或推下。在擺幅最大時(shí)，葉片的傾斜度完全轉(zhuǎn)向，然后在相反的方向上達(dá)到最大擺幅。這種縱向搖擺運(yùn)動(dòng)通過徑向連接臂轉(zhuǎn)移到一個(gè)需要能量來激活的機(jī)械中，然后利用這種能量來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。
    由于該系統(tǒng)依賴于水平翼片而不是轉(zhuǎn)子，所以提高功率無需增加高度，而只需將葉片加長(zhǎng)。因此延長(zhǎng)是在水平方向上，而不是豎直的，因此該系統(tǒng)適用于較淺的水域。因而，安裝地點(diǎn)就可以選擇靠近海岸的區(qū)域，連接設(shè)備也就更短也更經(jīng)濟(jì)。
    Pulse Tidal公司提倡采用水翼，最近他們?cè)谟?guó)Immingham郡附近安裝了一臺(tái)額定功率為100 kW的型號(hào)為Pulse Stream的潮汐流發(fā)電機(jī)原型。Pulse Tidal是由漢普郡的IT Power公司領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)項(xiàng)目，該公司申請(qǐng)并獲得了開展該項(xiàng)目的資金支持。IT Power公司海洋能部門的Jamie O-Nians說，下一階段他們將開發(fā)并在現(xiàn)場(chǎng)安裝一臺(tái)完整規(guī)模的1.2 MW的發(fā)電機(jī)，該機(jī)器將帶有兩個(gè)35米長(zhǎng)的翼片，目前設(shè)備上安裝的是水力能啟動(dòng)裝置，而不是機(jī)械啟動(dòng)裝置。
    翼片由項(xiàng)目參與者Independent復(fù)合材料有限公司和Designcraft公司制造。Designcraft公司的Nick Barlow說，Pulse Stream的葉片具有特殊的錐形輪廓，最寬處大約為1.3米，而最窄處僅為700-800毫米。
    復(fù)合材料以外的其他材料很難滿足流體力學(xué)的要求。在該設(shè)備中，每個(gè)葉片都帶有一個(gè)堅(jiān)固的箱式碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂加強(qiáng)筋，用于承受主要的彎曲載荷。該加強(qiáng)筋粘結(jié)在以玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂為外殼的PVC夾心結(jié)構(gòu)泡沫上。標(biāo)準(zhǔn)模量的單向碳纖維用于制造加強(qiáng)筋。目前為止，還一直在陽(yáng)模上進(jìn)行人工手糊，在將來的批量生產(chǎn)中，將采用更高效的纖維纏繞和樹脂灌注工藝。
    另一種搖擺方案是用海浪滾筒獲取海浪能，這是芬蘭的AW能源公司特別開發(fā)的。在該設(shè)備中，大型平臺(tái)較低的邊緣與較淺海域內(nèi)的海床連在一起，隨著海浪的旋流前后搖擺。這種搖擺運(yùn)動(dòng)被一臺(tái)能量啟動(dòng)（PTO）設(shè)備轉(zhuǎn)化成可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的能量。帶有一定漂浮性能的復(fù)合材料是制造這種平臺(tái)的理想材料。
    另一種開發(fā)這種近海能源的方法是采用水平轉(zhuǎn)子。牛津大學(xué)的研究者們提出了一種Darreius縱軸風(fēng)力渦輪機(jī)的概念，并將其用于水環(huán)境中，但轉(zhuǎn)子上的葉片增多了。轉(zhuǎn)子安裝在兩個(gè)軸承上，每端各一個(gè)。用于潮汐流中的Darreius渦輪機(jī)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即轉(zhuǎn)子永遠(yuǎn)沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，不論水流方向如何。
    開發(fā)者之一Martin Oldfield教授強(qiáng)調(diào)，水平轉(zhuǎn)子的可測(cè)量性讓他們可以預(yù)測(cè)到轉(zhuǎn)子最長(zhǎng)可達(dá)60米。三角形葉片和桁架結(jié)構(gòu)的引入可以滿足長(zhǎng)葉片所需的強(qiáng)度和剛度。復(fù)合材料也將成為實(shí)現(xiàn)這一概念的主要推動(dòng)力。
    “葉片將由玻纖和碳纖復(fù)合材料的混合物制成，結(jié)構(gòu)可能具有一定的浮動(dòng)性，便于操縱。” Oldfield說。
     牛津大學(xué)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓公司Isis Innovation正在繼續(xù)這一概念的研究。他們計(jì)劃在歐洲的海洋能源中心進(jìn)行一次完整規(guī)模原型的試驗(yàn)。開發(fā)者相信，1 km長(zhǎng)的橫軸水輪機(jī)葉片組合最多能產(chǎn)生60 MW的能量，其制造成本比現(xiàn)有的潮汐能設(shè)備低60%，而維護(hù)成本低40%。 
    奇思妙想 
    在水力開發(fā)的早期，有許多奇思妙想競(jìng)相爭(zhēng)取得到關(guān)注和開發(fā)基金的支持。復(fù)合材料在許多理念中都是潛在的材料選擇。
    挪威的Tidal Sails公司使用水下“翼板”獲取水流中的能量。翼板連接在一個(gè)連續(xù)的金屬環(huán)上，金屬環(huán)橫跨一條河或流水的一段。翼板可以轉(zhuǎn)動(dòng)，抵抗水流的壓力，并在金屬線上施加側(cè)壓。金屬線可以在每個(gè)翼展的末端繞著滑輪自由旋轉(zhuǎn)，因此整個(gè)系統(tǒng)可以不斷移動(dòng)，就像個(gè)傳送機(jī)。在滑輪上獲得的能量用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。