3D打印助力GE Haliade-X風(fēng)力渦輪發(fā)電機更加強大

GE Renewables的Haliade-X風(fēng)力發(fā)電渦輪機的葉片直徑超過兩個足球場，已經(jīng)是世界上尺寸最大、功率最大的渦輪機，能夠產(chǎn)生多達14兆瓦的能量。如果可以現(xiàn)場3D打印渦輪機混凝土基座，以便直接運輸?shù)较鄳?yīng)的海洋上位置，將能夠構(gòu)建和部署更大的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

2021年1月，南極熊了解到，這種方法將能夠生產(chǎn)更高的風(fēng)力渦輪機，因為風(fēng)力渦輪機生產(chǎn)商將不受運輸限制的困擾；目前為止，由于運輸原因，基座的寬度不能超過4.5米，從而限制了渦輪機的高度。通過增加高度，每臺渦輪機的發(fā)電功率可以大大增加：例如，一臺尺寸為80米的5 MW渦輪機每年可發(fā)電約15.1 GWh；而160米渦輪機每年將產(chǎn)生20.2 GWh，提升33％。隨著新的渦輪機達到260米甚至更高的高度，發(fā)電功率將有望變得更大。

一年多以前，Heliade X渦輪發(fā)電機的第一臺原型機就在荷蘭鹿特丹港投入運行。它成為第一臺在24小時內(nèi)產(chǎn)生288兆瓦時能量的風(fēng)力渦輪機，足以為當?shù)氐?0,000戶家庭供電。

新的海上Haliade-X渦輪機具有14 MW，13 MW或12 MW的容量，220米的轉(zhuǎn)子，107米的葉片和數(shù)字化功能。它不僅是世界上最強大的風(fēng)力渦輪發(fā)電機，而且發(fā)電量高于60-64％的行業(yè)標準容量系數(shù)。容量因子將在特定時間段內(nèi)連續(xù)全功率運行時產(chǎn)生的能量與產(chǎn)生的最大能量進行比較。容量因數(shù)的每增加一個點，在風(fēng)力發(fā)電場的壽命中，渦輪發(fā)電機效益將增加700萬美元。
2020年10月，這臺機器（也是當今運行最強大的海上風(fēng)力渦輪機）在一個24小時內(nèi)產(chǎn)生了312兆瓦時的能量。GE可再生能源的工程師根據(jù)鹿特丹原型的數(shù)據(jù)，得到機器由獨立機構(gòu)DNV GL認證的全套“type certificate”型式認證 ，新渦輪機可以安全、可靠地運行并符合設(shè)計規(guī)格。DNV GL向海上的Haliade-X 12 MW授予認證。

△GE Haliade-X 12 MW渦輪葉片

“這是我們的一個重要里程碑，因為它使我們的客戶能夠在購買Haliade-X時獲得融資�！鳖I(lǐng)導(dǎo)GE可再生能源渦輪機開發(fā)的Vincent Schellings說�！拔覀兊某掷m(xù)目標是為他們提供推動海上風(fēng)電全球增長所需的技術(shù)，因為海上風(fēng)電已成為低成本且更可靠的可再生能源。” 國際能源署（International Energy Agency）預(yù)計，到2040年，海上風(fēng)電的累計投資將達到1萬億美元。
風(fēng)力發(fā)電渦輪機107米長的葉片（超過足球場的長度），不久就獲得了型式認證，組件也獲得認證。Haliade-X 12 MW的認證過程包括在美國和英國的工廠，對葉片進行單獨測試，并在鹿特丹進行原型測試。

通用電氣設(shè)計的Haliade-X可以產(chǎn)生12兆瓦的功率，但是在鹿特丹進行的測試表明，它可以超越最初的目標，達到13兆瓦。新型認證特別涉及12 MW；目前正在以13兆瓦的輸出功率對鹿特丹原型進行測試，并有望在2021年上半年獲得單獨的認證。

接著，GE Renewable Energy簽署了Haliade-X 13 MW的第一份合同，同意向Dogger Bank A和Dogger Bank B供應(yīng)190臺機器，這是預(yù)計將成為世界上最大的海上風(fēng)電場的前兩個階段。北海，距英格蘭約克郡海岸約130公里。該風(fēng)力發(fā)電場計劃于2026年完工，預(yù)計可產(chǎn)生3.6吉瓦的電力，足以為450萬英國家庭供電。

生產(chǎn)更大的風(fēng)力渦輪機出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)，100多米長的葉片也必須作為一個整體來生產(chǎn)，不能由多個部分組裝而成，并且玻璃纖維增​​強塑料的強度已達到承受越來越大的風(fēng)力的極限。

如今，葉片是使用極其昂貴的高級模具生產(chǎn)的，這種模具不僅非常大，而且還需要非常復(fù)雜的工藝才能有效地冷卻和固化玻璃纖維增​​強葉片。未來，大幅面復(fù)合3D打印技術(shù)可以大大降低這些葉片模具的生產(chǎn)成本，甚至可能直接生產(chǎn)100多米長的碳纖維增強葉片。雖然目前尚未真正應(yīng)用，但是Ingersoll和Themrwood等公司已經(jīng)證明，大幅面復(fù)合3D打印系統(tǒng)的成型尺寸可以無限大。

早在2018年，美國能源部的風(fēng)能技術(shù)辦公室和先進制造辦公室就與另一家大幅面復(fù)合3D打印公司辛辛那提公司（Cincinnati Inc.）合作，將增材制造應(yīng)用于大型風(fēng)力渦輪機葉片模具的生產(chǎn)中。

△風(fēng)力發(fā)電葉片模具

對于大型產(chǎn)品（例如風(fēng)力渦輪機葉片）來說，3D打印被認為是非常有吸引力的選擇。這些產(chǎn)品屬于勞動密集型，主要是通過手工勞動來沉積大量復(fù)合材料，模具本身非常昂貴，而且耗時。

在風(fēng)電行業(yè)中，使用增材制造直接從CAD中生產(chǎn)定制葉片，還意味著在風(fēng)電場中每座塔的風(fēng)力渦輪機葉片可以優(yōu)化。這意味著有一天可以針對發(fā)電場中每個位置以及每個不同發(fā)電場中的單個位置，根據(jù)風(fēng)和湍流模式優(yōu)化每個渦輪機的葉片。增材制造技術(shù)降低成本，縮短的交貨時間。

但這需要時間。在最終材料密度和質(zhì)量、工藝可重復(fù)性和成本方面，3D打印仍然存在重大限制。更不用說打印出如此大的物體。但是，渦輪機變得越來越大，已經(jīng)成為一種趨勢，其生產(chǎn)過程將必須有3D打印技術(shù)的身影。