GE采用3D打印技术“打印”风电塔筒和叶片

航空航天军工能源
2021
03/04
11:58
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来源:光伏们

叶片是风机捕捉风能的核心部件之一,它直接关系到风机的整体性能和发电效益,在整个价值链中处于顶层。如果将可以节约制造成本、缩短生产时间的3D打印引入叶片生产,效果会如何?

实际上,3D打印技术此前已用于风机塔筒的制造过程中。基于在航空发动机及燃机零部件3D打印上的丰富经验,GE去年与合作伙伴开始尝试应用3D打印和高性能混凝土来制造风机塔筒。根据测算,通过将一个高度为80米的5MW风机提高至160米的高度,风电场运营商可以增加至少30%的发电量。
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让风机变得更高后,更轻则是下一个追求。最近,GE与美国能源部建立合作,研究使用3D打印制造风机叶片。这个为期25个月、耗资670万美元的项目将重点研究如何通过低成本的热塑性材料和3D打印技术制造一套风机叶片的叶尖部分。完成后,GE团队及其合作伙伴——橡树岭国家实验室和美国国家可再生能源实验室将对产品的结构特性进行测试,并将三套叶尖安装到风机上。
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叶尖是叶片工艺难度最大的部分,长约10~15米,其转速约为85米/秒,接近音速的1/4,能捕捉风机旋转所需能量的40%。

对于技术创新的不断追求促使GE一直在寻求改良叶片生产制造的方式,包括将3D打印技术与热成型、自动化和热塑性材料等先进工艺结合起来。

目前,风机叶片大多是由在玻璃纤维和碳纤维中加入环氧树脂或聚酯树脂的复合材料制成的,而使用轻型热塑性复合材料和3D打印的叶片则具有多项优势,包括:
  • 轻型叶片可以带动风机转子产生更多动力,提高风机的发电量
  • 轻型叶片可以减轻对塔筒和轮轴的负载,减少齿轮箱、传动系统、轴承和基座的磨损,从而降低全生命周期成本
  • 热塑性材料更方便进行拆除后的熔化和回收

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在风电行业迅速发展的同时,很多退役叶片最终都被扔进了垃圾填埋场,这也带来了不容忽视的环境问题。GE可再生能源此前与环境服务公司Veolia签署了一项风机叶片回收协议。Veolia将在回收旧风机叶片后进行切碎处理,然后将其中的玻璃纤维和巴尔沙木等成分进行混合,运往水泥制造工厂,作为煤炭、沙子和粘土的替代品来生产硅酸盐水泥。这种方法可以让工业废物“变身”水泥原材料,还有助于减少水泥行业的二氧化碳排放量。
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新材料的使用和效率的提高可以实现成本节约,而规模化生产则可以进一步帮助降本。GE和其子公司艾尔姆风能计划将这项技术规模化生产,从而推向市场。

叶尖部分完成后,GE团队接下来还会将3D打印技术应用于风机叶片的其他部分。20多年前,GE开始在航空发动机中引入轻型复合材料风扇叶片。今天,通过合作伙伴的共同努力,我们正在把更先进的材料技术应用于风机叶片中,以降低风电度电成本,提高性能,并持续推动行业的绿色低碳发展。


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