复材技术助力减少海上风电碳排放

　　世界对可持续能源资源的追求意味着海上风力发电的快速发展在能源行业的未来发挥着重要作用。2021 年，全球新安装了82 座海上风力发电机（WTG）发电厂，为280多座现役发电厂做出贡献，并为世界电网增加21.1 吉瓦（GW）的风力发电。2022 年5 月，欧盟委员会发布了REPowerEU 计划，旨在在2030 年之前让欧洲从俄罗斯化石燃料中独立出来。根据欧盟委员会的海上可再生能源战略，到2030 年海上风电装机容量至少达到6500 吉瓦，并计划到2050 年将海上风电总装机容量增加一倍以上，至少达到1.5 吉瓦，提供超过欧盟气候中和所需电力的一半。

　　设计成果

　　● GFRP 复合材料接头取代了导管架基础接头中的传统接头焊接。

　　● 与焊接导管架基础接头相比，优化了结构性能，防止了化学腐蚀。

　　● 提高了风电机组的生产率并减少了风力发电机（WTG）运行前的排放。

　　随着海上行业规模的扩大，WTG制造商正专注于通过减少资源密集型的制造和安装来实现可持续的扩张，并对难以减少的运营前排放进行脱碳。

　　Tree Composites 是荷兰的一家复合接头设计和制造商，开发了一种玻璃纤维增强塑料（GFRP）复材接头，用于连接WTG 基础结构中的钢管构件，取代了资源密集型焊接，显著降低了运行前排放，并将基础结构制造吞吐量提高了100%。

　　基础设计挑战

　　根据水深不同，海上风电机组所使用的固定式支撑结构会选择单桩、导管架或浮动基础形式。更深的水域通常有更优化的风力发电条件。单桩基础在经济上适用于40 米深的水域；导管架基础则适用于40 至80 米深水域；这一深度也是风电机组行业大部分的投资方向。

　　导管架基础通常由圆形横截面的空心钢管组成。该结构的支腿被称为弦杆构件，由焊接支撑构件支撑，以形成网格结构。每个钢管的直径通常约为1.5-2米，壁厚在50 至80 毫米之间。弦杆构件在所谓的K、双K、三K、T、X 或Y 接头处连接到支撑构件，字母表示接头的形状。

　　弦杆构件通常使用桩子固定在海床上，以确保结构的安全。施加在导管架基础上的主要载荷是由于与海床接触点周围的风力所产生的倾覆力矩。倾覆力矩计算为水平荷载相对于基础底座最极端角落产生的力矩。对风的反应转化为弦杆上的垂直载荷和支撑构件接头处的角应力。因此，它们必须足够强大才能应对。风荷载也是循环的，因此它们会在结构的一些管道和接头中引起振荡疲劳。

　　此外，当涡轮机旋转时，叶片在其后面产生压力波，如果叶片落在结构的固有频率窗口中，可能会在塔架和基础中引起共振激励。如果压力波频率与风电机组结构的共振频率相匹配，系统可能会以更大的振幅响应，导致剧烈的摇摆运动和潜在的灾难性故障。因此，结构的设计必须避免任何荷载类型的共振，包括波浪、风和叶片通过频率。

　　导管架基础制造商不仅在投资新的设计，以克服这些挑战并提高风电机组的部署率，而且他们还在为功率更大的风电机组开发更大的涡轮机支架，因为现有容量不足，无法满足目标实施要求。

　　支架和弦杆交叉处复杂接头的制造，是扩大WTG 行业规模最重要的挑战之一。复杂的构件节点对结构的性能至关重要；接头角度可以紧密到30°，通常由熟练的制造商手工焊接，生产过程缓慢而昂贵。

　　接头处的焊缝在结构中产生了应力集中区，其局部应力是未焊接部分的40 倍，这使接头的疲劳寿命减少了五倍之多。因此，为了对抗疲劳，需要大幅增加这些复杂焊缝位置的壁厚，以应对其使用寿命期间增加的应力。这种焊接方法是众所周知的，但其替代方案已经有了。

　　复合替代方案

　　2016 年，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）钢与复合材料结构助理教授Marko Pavlovic 受到家乡附近一棵300 年树龄的树的启发，提出了一个复合导管架基础接头的想法；为了拯救这棵树，当地社区用钢管结构把它支撑了起来。随着时间的推移，支撑的树在管道上和周围生长，形成了结构连接。因此，这棵树能够对它所承受的载荷做出反应，只在需要的地方生长额外的纤维。利用这一概念，Pavlovic 设计了一种预制复合材料接头，其形状为海上导管架基础的K、双K、三K、T、X 和Y接头，以提供钢管构件之间的荷载路径优化连接，消除了资源密集型和易发生故障的焊接结构。复合材料接头结构将由复合材料包裹物形成，以产生足够大的结合表面，以重量和材料体积有效的方式承载应力，从而减少构件界面处的极限载荷。

　　与研究海上风力涡轮机连接的代尔夫特大学校友Maxim Segeren 博士合作，第一个复合材料导管架基础接头套管原型于2017年在Versteden B.V.（荷兰）建造。

　　优化WTG结构

　　该原型复合接头是通过手工铺层玻璃纤维增强塑料（GFRP）制成的，GFRP 是专门为海上应用选择的，并用热固性树脂加固。复合接头的长度、UD 层数及其方向可根据每个接头的载荷要求定制。

　　该结构在环境温度下通过放热反应而不是在高压釜条件下固结。固结过程中没有使用真空袋，制造是在气候控制的工厂中进行的，以防止水分侵入并提供质量控制。

　　载荷路径优化形状朝着接头根部增加厚度，减少了构件界面处的应力集中，从而有助于获得尽可能高的疲劳强度。Segeren 博士指出：“由于复合材料的高耐久性和灵活性，避免了焊接中常见的应力集中、残余应力、脆化和缺口效应，抗疲劳性能得到了显著提高。通过指定复合接头和粘结界面，不需要过度设计管道的整体厚度；整个钢结构的设计可以考虑静载荷，从而大幅减少壁厚。”

　　Segeren博士表示：“由于导管架基础结构中使用的钢占风力发电机总生产碳足迹的70-80%，复合接头将减少高达60% 的钢材需求；这将使导管架基础的碳足迹减少30-50%。”

　　稳健测试

　　为了优化其设计，代尔夫特大学对复合导管架基础接头进行了100 多次测试。由于要在海上作业，它需要符合环境条件，包括与风、水、空气和地表的相互作用，即空气和水的界面。

　　波浪会产生循环载荷，风会产生持续的力，导致蠕变应力，水可能具有腐蚀性。阳光也会对复合材料造成辐射和紫外线暴露应力。

　　试验期间证明，复合接头成功地控制了导管架基础接头荷载，甚至优于未焊接导管架基础钢管构件的疲劳性能，在钢失效后保持良好的稳定性。

　　在成功测试量化复合材料接头在海上条件下的特性后，Segeren 与Versteden B.V.的P.Bogers和E.Simons于2020 年成立了Tree Composites，将复合材料接头（即TC 接头）推向市场。2020 年底， 认证机构DetNorske Veritas（挪威Høvik）提供了TC 合资企业的可行性声明，为TreeComposites 这项新技术的认证迈出了第一步。

　　与壳牌全球工业公司（荷兰）和西门子歌美飒公司在海上风力涡轮机方面的合作伙伴关系，以及工程公司Enersea（荷兰）、两家导管架基础制造商HSM offshore（ 荷兰） 与Smulders（比利时）的合作，为在未来的风力发电机项目中使用TC 接头提供了途径。