復(fù)材技術(shù)助力減少海上風(fēng)電碳排放
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- 發(fā)布時(shí)間:2024-08-27 21:21
世界對(duì)可持續(xù)能源資源的追求意味著海上風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展在能源行業(yè)的未來(lái)發(fā)揮著重要作用。2021 年,全球新安裝了82 座海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)(WTG)發(fā)電廠(chǎng),為280多座現(xiàn)役發(fā)電廠(chǎng)做出貢獻(xiàn),并為世界電網(wǎng)增加21.1 吉瓦(GW)的風(fēng)力發(fā)電。2022 年5 月,歐盟委員會(huì)發(fā)布了REPowerEU 計(jì)劃,旨在在2030 年之前讓歐洲從俄羅斯化石燃料中獨(dú)立出來(lái)。根據(jù)歐盟委員會(huì)的海上可再生能源戰(zhàn)略,到2030 年海上風(fēng)電裝機(jī)容量至少達(dá)到6500 吉瓦,并計(jì)劃到2050 年將海上風(fēng)電總裝機(jī)容量增加一倍以上,至少達(dá)到1.5 吉瓦,提供超過(guò)歐盟氣候中和所需電力的一半。
設(shè)計(jì)成果
● GFRP 復(fù)合材料接頭取代了導(dǎo)管架基礎(chǔ)接頭中的傳統(tǒng)接頭焊接。
● 與焊接導(dǎo)管架基礎(chǔ)接頭相比,優(yōu)化了結(jié)構(gòu)性能,防止了化學(xué)腐蝕。
● 提高了風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)率并減少了風(fēng)力發(fā)電機(jī)(WTG)運(yùn)行前的排放。
隨著海上行業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大,WTG制造商正專(zhuān)注于通過(guò)減少資源密集型的制造和安裝來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的擴(kuò)張,并對(duì)難以減少的運(yùn)營(yíng)前排放進(jìn)行脫碳。
Tree Composites 是荷蘭的一家復(fù)合接頭設(shè)計(jì)和制造商,開(kāi)發(fā)了一種玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)復(fù)材接頭,用于連接WTG 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的鋼管構(gòu)件,取代了資源密集型焊接,顯著降低了運(yùn)行前排放,并將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)制造吞吐量提高了100%。
基礎(chǔ)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
根據(jù)水深不同,海上風(fēng)電機(jī)組所使用的固定式支撐結(jié)構(gòu)會(huì)選擇單樁、導(dǎo)管架或浮動(dòng)基礎(chǔ)形式。更深的水域通常有更優(yōu)化的風(fēng)力發(fā)電條件。單樁基礎(chǔ)在經(jīng)濟(jì)上適用于40 米深的水域;導(dǎo)管架基礎(chǔ)則適用于40 至80 米深水域;這一深度也是風(fēng)電機(jī)組行業(yè)大部分的投資方向。
導(dǎo)管架基礎(chǔ)通常由圓形橫截面的空心鋼管組成。該結(jié)構(gòu)的支腿被稱(chēng)為弦桿構(gòu)件,由焊接支撐構(gòu)件支撐,以形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。每個(gè)鋼管的直徑通常約為1.5-2米,壁厚在50 至80 毫米之間。弦桿構(gòu)件在所謂的K、雙K、三K、T、X 或Y 接頭處連接到支撐構(gòu)件,字母表示接頭的形狀。
弦桿構(gòu)件通常使用樁子固定在海床上,以確保結(jié)構(gòu)的安全。施加在導(dǎo)管架基礎(chǔ)上的主要載荷是由于與海床接觸點(diǎn)周?chē)娘L(fēng)力所產(chǎn)生的傾覆力矩。傾覆力矩計(jì)算為水平荷載相對(duì)于基礎(chǔ)底座最極端角落產(chǎn)生的力矩。對(duì)風(fēng)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為弦桿上的垂直載荷和支撐構(gòu)件接頭處的角應(yīng)力。因此,它們必須足夠強(qiáng)大才能應(yīng)對(duì)。風(fēng)荷載也是循環(huán)的,因此它們會(huì)在結(jié)構(gòu)的一些管道和接頭中引起振蕩疲勞。
此外,當(dāng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),葉片在其后面產(chǎn)生壓力波,如果葉片落在結(jié)構(gòu)的固有頻率窗口中,可能會(huì)在塔架和基礎(chǔ)中引起共振激勵(lì)。如果壓力波頻率與風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的共振頻率相匹配,系統(tǒng)可能會(huì)以更大的振幅響應(yīng),導(dǎo)致劇烈的搖擺運(yùn)動(dòng)和潛在的災(zāi)難性故障。因此,結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須避免任何荷載類(lèi)型的共振,包括波浪、風(fēng)和葉片通過(guò)頻率。
導(dǎo)管架基礎(chǔ)制造商不僅在投資新的設(shè)計(jì),以克服這些挑戰(zhàn)并提高風(fēng)電機(jī)組的部署率,而且他們還在為功率更大的風(fēng)電機(jī)組開(kāi)發(fā)更大的渦輪機(jī)支架,因?yàn)楝F(xiàn)有容量不足,無(wú)法滿(mǎn)足目標(biāo)實(shí)施要求。
支架和弦桿交叉處復(fù)雜接頭的制造,是擴(kuò)大WTG 行業(yè)規(guī)模最重要的挑戰(zhàn)之一。復(fù)雜的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的性能至關(guān)重要;接頭角度可以緊密到30°,通常由熟練的制造商手工焊接,生產(chǎn)過(guò)程緩慢而昂貴。
接頭處的焊縫在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū),其局部應(yīng)力是未焊接部分的40 倍,這使接頭的疲勞壽命減少了五倍之多。因此,為了對(duì)抗疲勞,需要大幅增加這些復(fù)雜焊縫位置的壁厚,以應(yīng)對(duì)其使用壽命期間增加的應(yīng)力。這種焊接方法是眾所周知的,但其替代方案已經(jīng)有了。
復(fù)合替代方案
2016 年,荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)鋼與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)助理教授Marko Pavlovic 受到家鄉(xiāng)附近一棵300 年樹(shù)齡的樹(shù)的啟發(fā),提出了一個(gè)復(fù)合導(dǎo)管架基礎(chǔ)接頭的想法;為了拯救這棵樹(shù),當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)用鋼管結(jié)構(gòu)把它支撐了起來(lái)。隨著時(shí)間的推移,支撐的樹(shù)在管道上和周?chē)L(zhǎng),形成了結(jié)構(gòu)連接。因此,這棵樹(shù)能夠?qū)λ惺艿妮d荷做出反應(yīng),只在需要的地方生長(zhǎng)額外的纖維。利用這一概念,Pavlovic 設(shè)計(jì)了一種預(yù)制復(fù)合材料接頭,其形狀為海上導(dǎo)管架基礎(chǔ)的K、雙K、三K、T、X 和Y接頭,以提供鋼管構(gòu)件之間的荷載路徑優(yōu)化連接,消除了資源密集型和易發(fā)生故障的焊接結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料接頭結(jié)構(gòu)將由復(fù)合材料包裹物形成,以產(chǎn)生足夠大的結(jié)合表面,以重量和材料體積有效的方式承載應(yīng)力,從而減少構(gòu)件界面處的極限載荷。
與研究海上風(fēng)力渦輪機(jī)連接的代爾夫特大學(xué)校友Maxim Segeren 博士合作,第一個(gè)復(fù)合材料導(dǎo)管架基礎(chǔ)接頭套管原型于2017年在Versteden B.V.(荷蘭)建造。
優(yōu)化WTG結(jié)構(gòu)
該原型復(fù)合接頭是通過(guò)手工鋪層玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)制成的,GFRP 是專(zhuān)門(mén)為海上應(yīng)用選擇的,并用熱固性樹(shù)脂加固。復(fù)合接頭的長(zhǎng)度、UD 層數(shù)及其方向可根據(jù)每個(gè)接頭的載荷要求定制。
該結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度下通過(guò)放熱反應(yīng)而不是在高壓釜條件下固結(jié)。固結(jié)過(guò)程中沒(méi)有使用真空袋,制造是在氣候控制的工廠(chǎng)中進(jìn)行的,以防止水分侵入并提供質(zhì)量控制。
載荷路徑優(yōu)化形狀朝著接頭根部增加厚度,減少了構(gòu)件界面處的應(yīng)力集中,從而有助于獲得盡可能高的疲勞強(qiáng)度。Segeren 博士指出:“由于復(fù)合材料的高耐久性和靈活性,避免了焊接中常見(jiàn)的應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、脆化和缺口效應(yīng),抗疲勞性能得到了顯著提高。通過(guò)指定復(fù)合接頭和粘結(jié)界面,不需要過(guò)度設(shè)計(jì)管道的整體厚度;整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以考慮靜載荷,從而大幅減少壁厚。”
Segeren博士表示:“由于導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中使用的鋼占風(fēng)力發(fā)電機(jī)總生產(chǎn)碳足跡的70-80%,復(fù)合接頭將減少高達(dá)60% 的鋼材需求;這將使導(dǎo)管架基礎(chǔ)的碳足跡減少30-50%。”
穩(wěn)健測(cè)試
為了優(yōu)化其設(shè)計(jì),代爾夫特大學(xué)對(duì)復(fù)合導(dǎo)管架基礎(chǔ)接頭進(jìn)行了100 多次測(cè)試。由于要在海上作業(yè),它需要符合環(huán)境條件,包括與風(fēng)、水、空氣和地表的相互作用,即空氣和水的界面。
波浪會(huì)產(chǎn)生循環(huán)載荷,風(fēng)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的力,導(dǎo)致蠕變應(yīng)力,水可能具有腐蝕性。陽(yáng)光也會(huì)對(duì)復(fù)合材料造成輻射和紫外線(xiàn)暴露應(yīng)力。
試驗(yàn)期間證明,復(fù)合接頭成功地控制了導(dǎo)管架基礎(chǔ)接頭荷載,甚至優(yōu)于未焊接導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管構(gòu)件的疲勞性能,在鋼失效后保持良好的穩(wěn)定性。
在成功測(cè)試量化復(fù)合材料接頭在海上條件下的特性后,Segeren 與Versteden B.V.的P.Bogers和E.Simons于2020 年成立了Tree Composites,將復(fù)合材料接頭(即TC 接頭)推向市場(chǎng)。2020 年底, 認(rèn)證機(jī)構(gòu)DetNorske Veritas(挪威Høvik)提供了TC 合資企業(yè)的可行性聲明,為T(mén)reeComposites 這項(xiàng)新技術(shù)的認(rèn)證邁出了第一步。
與殼牌全球工業(yè)公司(荷蘭)和西門(mén)子歌美颯公司在海上風(fēng)力渦輪機(jī)方面的合作伙伴關(guān)系,以及工程公司Enersea(荷蘭)、兩家導(dǎo)管架基礎(chǔ)制造商HSM offshore( 荷蘭) 與Smulders(比利時(shí))的合作,為在未來(lái)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)項(xiàng)目中使用TC 接頭提供了途徑。
