复合材料在海洋能开发中有突破，环氧树脂发挥关键作用
撰文 | 方晶晶
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第197篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
波浪能是海洋能中最主要的能源之一，是一种易于直接利用、取之不竭的可再生清洁能源。波浪发电是波浪能利用的主要方式。波浪发电也是目前发展最快的一种海洋能源利用形式。
政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 预计全球波浪能潜在年产量为29,500 TWh，几乎是欧洲年耗电量的十倍。有可能成为海洋中最大的能源。
相比其他能源，波浪能源具有四大优势：其一能量密度高，其二受环境影响较小，其三波浪可被提前预测，其四波浪的平均可用时间为90%，远超风能和太阳能。
图片来源于网络
波浪能发电分为能量采集和能量转换两部分。目前世界上已经研究开发了多种波浪能转换装置，用于波浪能的转换。波浪能技术主要分为三种，即振荡水柱技术、振荡浮子（点吸收）技术、越浪技术。
但不管是哪种技术，对装置的材料要求非常苛刻。
由于海水具有腐蚀性，装置长时间漂浮在海面上会使其表面材质磨损，装置内部部件也会受到损耗，严重影响装置的寿命，提高了经济成本。
而且装置的材料太重和太轻都不行。如果密度过小、材质较轻容易被海洋恶劣气候所影响，引发装置损坏。发电装置主要以波浪能为动力来源，大多在海面上进行发电作业，材料过重则装置不能平稳地漂浮在海面上，可能自身重力会大于海水浮力，导致装置下沉，无法达成目的。
所以，装置选材尤为重要，必须把握好装置的密度及各部件最佳的材料保证其不会被海水轻易腐蚀，还需考虑重量问题，使装置不随风、波浪大幅摆荡，稳定地浮在海面上。
因此，波浪能发电装置的材料稳定性，可靠性成为当下急需解决的难题之一。
STRUCTeam 是一家位于英国考斯的复合材料工程咨询公司，十多年来一直为风力涡轮机和叶片制造商提供支持。该公司现在正与可再生能源公司Ocean Energy以及技术合作伙伴 3A Composites Core Materials 和 Sicomin合作，将其战略扩展到复合材料在波浪能中的应用。
图说：振荡水柱（OWC）
来源：energyglobal.com
01
合作开发，取代传统材料
传统的波浪能装置一般用钢材组成，重量较大。为了解决这一难题，波浪能开发行业正致力于波浪能转换装置中复合材料的应用，为装置“减肥”。利用复合材料能提高设备功能性，以及节省能源让设备轻量化。
STRUCTeam与这些公司的合作得到欧盟资助，并围绕着一个名为“OE12 Buoy”的振荡水柱 (OWC) 的发展展开。
“OE12波浪器件是一种非常适合改造减重的结构，可以从这种减重经验中获益，从而成功地实现复合材料运用。” STRUCTeam的董事总经理Julien Sellier说。
波浪能转换器设计用于在海洋表面滑行并从水的运动中提取能量，然后将其转换为电能。产生的能量取决于波浪的速度、高度和频率，以及水的密度。
当波浪驱动气室内水柱往复运动，通过水柱驱动气室内的空气，进而由空气驱动叶轮，从水的运动中提取能量，得以将能量转换成电能。
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波浪是由在海洋表面移动的风产生的，但在风平息后它们仍会持续很长时间。这种互补性使波浪能成为风能的完美结合，扩展了发电量。
目前的OE12浮标原型由钢制成，不包含任何复合材料。它利用通过波浪引起的漂浮船体的运动，它将波浪能转化为空气能——就像一个气泵。这个加压空气使涡轮机旋转发电该装置重28吨，尺寸为12米X 6米。
每个技术合作伙伴都非常重视他们承担的项目中材料的循环性：
STRUCTeam通过仔细的工程设计和材料选择，用复合材料成功替代浮标结构中的传统材料，重量可以减少30-50%。
环氧树脂配方师 Sicomin 开发了一系列源自天然的环保型绿色环氧树脂系统，专为注射和灌注等树脂转移工艺配制的产品。该系列材料的分子结构的35%以上来自于自然植物，具有环保、透明和防水功效，能有效改善波浪能发电装置海水腐蚀的问题。
3A 开发了一种闭孔、热塑性和可回收的聚合物泡沫，具有非常好的机械性能，具有非凡的抗疲劳性、化学稳定性、抗紫外线性和可忽略不计的吸水性，使其成为船舶应用的理想选择。芯材适用于各种承受静态和动态载荷的轻质夹层结构。3A提议将其用于整个复合浮标。
来源：3A core materials
“每个技术合作伙伴都非常重视他们所承担项目中材料的循环性，都提出了技术和设计解决方案，以成功地取代浮标结构中的传统材料。” STRUCTeam的董事总经理Julien Sellier说。
“近十年来，我们一直在探索生物树脂在各种结构中尚未开发的潜力，包括海底和潮汐应用。使用的树脂产品尽可能降低环境影响，并支持更环保的生产方法，”Sicomin的出口经理 Marc Denjean如是说，“支持海洋能源的最新合作伙伴关系完全符合我们的可持续发展目标，即生产不损害性能或强度的环保产品。”
3A复合材料核心材料公司首席执行官Eric Gauthier评论道，“促进物质循环是我们一切工作的核心。OE12浮标项目是一个完美的协同，结合我们的合作伙伴的产品和服务，为一个更绿色和更可持续的未来作出贡献。”
02
降低成本，促进碳减排
为OE12减重的好处显而易见：较轻的结构允许简化运输和安装，进而降低平均水平能源成本（LCOE）。复合材料的环境效益也是激励因素，如潜在的二氧化碳排放量减少、材料循环性改善和耐久性。
虽然波浪能发电装置的研究与开发已取得了一定的成果，但是相比较而言，波浪能发电装置与太阳能、风能等清洁能源利用装置相比，并没有普及到人民生活，最重要的原因是波浪能发电成本问题。
波浪能装置大多是直接放置在海水中的，海洋环境下台风天气时常发生，台风具有巨大的破坏能力，会损坏波浪能装置，并且海水有腐蚀性，使得装置容易被腐蚀。将复合材料应用的波浪能转化装置中，不仅可以为装置“减肥”，而且可以延长装置寿命，促进碳减排。
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参考资料：
[1]https://www.163.com/dy/article/GJS7ATRT0552C1TZ.html
[2]https://www.world-energy.org/article/25008.html
[3]http://news.cnpowder.com.cn/34202.html
[4]https://wenku.so.com/d/7ff02a874b3a697541fb18341a328012
[5]段春明 ， 朱永强．一种新型振荡水柱式波浪能发电装置的设计：上海海洋大学学报， 2013 , 22 (3) :446-451
[6]https://www.oceanenergy-europe.eu/ocean-energy/wave-energy/
[7]周宇涵.波浪能发电技术应用研究现状及发展方向[J].现代工业经济和信息化,2020,10(11):105-106.DOI:10.16525/j.cnki.14-1362/n.2020.11.46.
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