弗吉尼亞理工大學開發(fā)一種偏遠地區(qū)3D打印可持續(xù)風力發(fā)電機葉片的方案

南極熊導讀：根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，風機葉片平均46分鐘產(chǎn)生的電力足以為美國家庭提供整整一個月的電力。美國現(xiàn)有風機超過70800臺，在數(shù)量上已超過水力發(fā)電，成為最大的可再生能源生產(chǎn)商之一。

△研究人員Chris Williams和Michael Bortner在3D打印風力渦輪葉片技術領域取得了重大進展

2024年5月13日，南極熊獲悉，弗吉尼亞理工大學的研究人員正在利用3D打印技術來改進風力渦輪機的生產(chǎn)。該項目的重點是采用增材制造技術，用一種新型、可回收的熱塑性材料制造風力渦輪機葉片。這種方法有望徹底改變風力渦輪機的生產(chǎn)方式，并解決與當前制造方法相關的若干環(huán)境和物流挑戰(zhàn)。

△Alex Ryan（左）和 Cameron Jordan（右）在弗吉尼亞理工大學與Chris Williams一起工作，他解釋了大型多軸機械臂3D打印機在制作風機葉片方面的優(yōu)勢

3D打印為清潔能源發(fā)電帶來的改變

美國能源部提供了200萬美元（約合1400萬人民幣）的資助，這筆資金是一項耗資7200萬美元（約合5.2億人民幣）的廣泛計劃的一部分，旨在改進風能技術的制造工藝，并為風能利用開發(fā)可持續(xù)的解決方案。

傳統(tǒng)上，風力渦輪機葉片是在專門設施中使用大型模具制造的，然后通過半掛卡車運到安裝地點（通常是偏遠地區(qū)）。這一過程不僅涉及廣泛的規(guī)劃和物流挑戰(zhàn)，而且由于所用材料的不可回收性，還會對環(huán)境造成嚴重影響。

研究團隊旨在通過開發(fā)一種在風力發(fā)電場現(xiàn)場3D打印風力渦輪機葉片的方法來解決這些問題。這種方法采用機器人控制的打印工藝，能夠打印出大型物體，包括比打印機本身還要大的渦輪葉片。該工藝采用了Bortner及其團隊開發(fā)的一種新型聚合物復合材料，這種材料完全可回收利用，并具有用于葉片制造的傳統(tǒng)玻璃纖維增強復合材料的必要特性。

預計這種創(chuàng)新方法將大大減少風力渦輪機建造過程中的浪費，并消除有害物質(zhì)的使用。新材料的可回收性意味著，一旦渦輪葉片的生命周期結(jié)束或損壞，它們就可以被分解、再加工，并重新印制成新的葉片。這不僅增強了材料的可持續(xù)性，還大大減少了葉片生產(chǎn)和處置所需的能源和資源。

△Tadeusz Kosaml（左）和 Isaac Rogers（右）分析機器人3D打印的多軸運動路徑

跨學科合作

該項目還充分利用了弗吉尼亞理工大學航空航天與海洋工程系Kevin T. Crofton的專業(yè)知識，利用該校的風洞來評估打印葉片的空氣動力學特性。這種跨學科合作還延伸到了美國國家可再生能源實驗室（NREL）和TPI復合材料公司，后者提供了行業(yè)洞察力和測試能力，以確保該項目的研究成果具有行業(yè)相關性和可擴展性。

增材制造系統(tǒng)設計、研究和教育（DREAMS）實驗室主任Chris Williams強調(diào)，該項目是新技術和材料研究的融合。通過將獨特的設計優(yōu)化技術與機器人打印和新型材料使用相結(jié)合，該團隊有望改變風力渦輪機葉片的生產(chǎn)方式，使其更具可持續(xù)性、成本效益和現(xiàn)場制造適應性。