3D打印助力GE Haliade-X風力渦輪發(fā)電機更加強大

GE Renewables的Haliade-X風力發(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�的海洋上位置，將能夠構建和部署更大的風力發(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)更高的風力渦輪機，因為風力渦輪機生產(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導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電全球增長所需的技術，因為海上風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）預計，到2040年，海上風電的累計投資將達到1萬億美元。
風力發(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190臺機器，這是預計將成為世界上最大的海上風電場的前兩個階段。北海，距英格蘭約克郡海岸約130公里。該風力發(fā)電場計劃于2026年完工，預計可產(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，大幅面復合3D打印技術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用，但是Ingersoll和Themrwood等公司已經(jīng)證明，大幅面復合3D打印系統(tǒng)的成型尺寸可以無限大。

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

△風力發(fā)電葉片模具

對于大型產(chǎn)品（例如風力渦輪機葉片）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合材料，模具本身非常昂貴，而且耗時。

在風電行業(yè)中，使用增材制造直接從CAD中生產(chǎn)定制葉片，還意味著在風電場中每座塔的風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)風和湍流模式優(yōu)化每個渦輪機的葉片。增材制造技術降低成本，縮短的交貨時間。

但這需要時間。在最終材料密度和質量、工藝可重復性和成本方面，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打印技術的身影。