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风电大部件运输难?将3D打印技术运用到风电机组制造可好?

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如果你曾经驾驶卡车运送过风电机组的大部件,那么你会发现它的局限性是显而易见的。由于叶片越来越长,塔筒也越来越高,在高速公路上运输这些大部件变得非常困难。近日,一家加州的初创公司提出了一个解决办法:RCAM技术公司最近获得了来自加州能源委员会(CEC)的125万美元拨款,用于测试通过3D打印技术在风电场现场制造混凝土塔筒的可行性。
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目前,美国风电机组的平均塔筒高度只有80多米。由来自国家可再生能源实验室 (NREL)的 Jason Cotrell创建的RCAM技术公司,计划使用一种3D打印技术——钢筋混凝土增材制造技术来制造140米或更高的塔筒。Cotrell在5月离开了国家可再生能源实验室NREL,寻求资助来开发这项技术。

借助NREL的度电成本(LCOE)建模工具,该公司预计,在有合适风切变的风能资源区域,140米高的塔筒将可以提高20%以上的发电量。通过使叶片能够捕获更稳定、更强的风能,超高塔筒将显著增加容量因数,大大降低发电成本。
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根据提交给加州能源委员会(CEC)的资助申请表,RCAM技术公司认为3D打印技术“将使在风电场现场制造塔筒成为可能,成本则只有传统钢塔的一半,在风速较低的地区,可以使风电的度电成本降低11%。”

数字化混凝土
Cotrell在一段NREL发布的视频中说道:“在建造风电场时,我们往往会应用尽可能高的风电机组,以便捕捉到风速更高的风能资源。然而,在这种情况下,塔筒的直径也会变得很大,极大增加了公路运输的难度。3D打印技术则使我们能够在风电场现场使用一种自动化的混凝土制造工艺来生产塔筒,从而规避运输与物流的限制。”
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根据与加州能源委员会达成的协议,RCAM技术公司将负责设计两个高度在140米至170米之间的超高混合式风电机组塔筒的下半部分。塔筒的上半部分将采用传统的锥形钢塔,而下半部分将用钢筋混凝土增材制造技术建造。混凝土塔筒的原型部分将使用机械臂和3D打印机进行制造,并将在加州大学欧文分校完成测试。
在实际操作中,RCAM技术公司计划在风电场现场,通过标准运输车运送来的混凝土或者来自搅拌设备(比如用于基础浇筑)的混凝土来制造这些大直径混凝土塔筒。
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提高容量因数的潜力
NREL的研究显示,在大平原地区,在塔筒高度为80米的情况下,一些风电场的年发电容量因数可以超过50%。众所周知,应用更高的塔筒,则能够使风力发电在更多地区具有经济竞争力。
在美国风能协会于今年5月举行的一次会议上,NREL的研究人员在一篇关于高塔筒风电机组技术的报告中写道,“在风带中心之外,风电的平均开发成本还高于低价的天然气和低成本的光伏发电,后者的成本还在不断降低。”“为了扩大风电的应用地域范围,有必要对高塔技术进行持续评估,”该团队补充道,“更高的轮毂高度则显著提升了容量因数。”
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迈向市场之路
MAKE咨询公司的高级顾问Aaron Barr在一封电子邮件中表示:“在轮毂高度超过120米以后,混凝土塔筒已经迅速成为钢管塔筒的一种有成本效益的代替品。”

Barr指出,在欧洲,混凝土塔筒已经应用了十多年。但是,大多数混凝土塔筒都是在其他地方预制的,再运送到项目现场。RCAM技术公司可以通过在现场浇筑混凝土的方式,避免运输方面的诸多限制。他补充说:“通过现场浇筑,能够节约物流和材料方面的成本,并将目前3D打印技术中最有前景的一些应用引入到风电行业中。”

但Barr警告,3D打印技术可能会增加风电机组的吊装时间。“特殊的设备和混凝土养护时间可能会大大拉长风电场的建设周期。”他说:“在美国的大多数风电场中,如果所有机组设备已经被运送了现场,那么吊装速度可以达到1台/天,甚至更快。但是,使用现场制造混凝土塔筒的解决方案则会大大拉长安装周期,从而增加风电场开发的成本和执行风险。”

RCAM技术公司是否可以像它预估的那样快速、廉价地通过3-D打印技术制造混凝土风电塔筒?该公司将与加州大学欧文分校的土木工程实验室合作完成原型的建造和测试。

作为NREL的Energy I-Corps计划的一部分,Jason Cotrell和他的同事Scott Jenne走访了75家整机制造商和开发企业。“我们发现,另一家整机制造商在探索一种非常类似的技术,我们与那家制造商保持着联系,并期待与其展开深入合作。”Cotrell在NREL发布的视频中如是说。Cotrell在一封电子邮件中证实,RCAM技术公司正在与几家整机制造商讨论合作事宜,其中包括他在视频中提到的那家没有透露名称的公司。

来源:Green Tech Media
延伸阅读:
【解析】风电叶片的3D打印系统性高效制造方法

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