GE混凝土3D打印風(fēng)力發(fā)電機(jī)基座，復(fù)合材料3D打印葉片

導(dǎo)讀：葉片是風(fēng)機(jī)捕捉風(fēng)能的核心部件之一，它直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)的整體性能和發(fā)電效益，在整個(gè)價(jià)值鏈中處于頂層。如果將可以節(jié)約制造成本、縮短生產(chǎn)時(shí)間的3D打印引入葉片生產(chǎn)，效果會如何？

2022年4月23日，南極熊獲悉，基于在航空發(fā)動機(jī)及燃機(jī)零部件3D打印上的豐富經(jīng)驗(yàn)，通用電氣旗下的再生能源公司開啟了一個(gè)新的項(xiàng)目，使用大型的混凝土3D機(jī)來建造風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的基座，由此來減少運(yùn)輸成本和人力成本。根據(jù)測算，通過將一個(gè)高度為80米的5MW風(fēng)機(jī)提高至160米的高度，風(fēng)電場運(yùn)營商可以增加至少30%的發(fā)電量。

風(fēng)能被認(rèn)為是一種清潔無公害的可再生能源，隨著全球變暖等環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，風(fēng)力發(fā)電成為了一些國家的重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。為了能夠充分應(yīng)用風(fēng)能，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)都建的比較大。建造時(shí)，需要先打地基，就是挖出一個(gè)足夠深的坑，再在其中搭建鋼筋結(jié)構(gòu)，最后澆筑混凝土，整個(gè)過程需要大量的工人協(xié)同完成。

再生能源公司希望通過混凝土3D打印的方式來建造地基。目前，他們將以現(xiàn)有的混凝土3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)是5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用。

再生能源公司表示，通過3D打印，可以改變目前的渦輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。目前，渦輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基座都和地面齊平，在上面搭建大型的金屬圓柱體。再生能源公司的設(shè)想是不僅打印基座，還會打印一部分的塔身（原來金屬圓柱的部分）。這樣就能減少大型圓柱體的運(yùn)輸，節(jié)約運(yùn)輸成本，并降低風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的搭建難度。

讓風(fēng)機(jī)變得更高后，更輕則是下一個(gè)追求。最近，GE與美國能源部建立合作，研究使用3D打印制造風(fēng)機(jī)葉片。這個(gè)為期25個(gè)月、耗資670萬美元的項(xiàng)目將重點(diǎn)研究如何通過低成本的熱塑性材料和3D打印技術(shù)制造一套風(fēng)機(jī)葉片的葉尖部分。完成后，GE團(tuán)隊(duì)及其合作伙伴——橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室將對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行測試，并將三套葉尖安裝到風(fēng)機(jī)上。

葉尖是葉片工藝難度最大的部分，長約10～15米，其轉(zhuǎn)速約為85米/秒，接近音速的1/4，能捕捉風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)所需能量的40%。對于技術(shù)創(chuàng)新的不斷追求促使GE一直在尋求改良葉片生產(chǎn)制造的方式，包括將3D打印技術(shù)與熱成型、自動化和熱塑性材料等先進(jìn)工藝結(jié)合起來。

目前，風(fēng)機(jī)葉片大多是由在玻璃纖維和碳纖維中加入環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂的復(fù)合材料制成的，而使用輕型熱塑性復(fù)合材料和3D打印的葉片則具有多項(xiàng)優(yōu)勢，包括：
1)輕型葉片可以帶動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更多動力，提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電量；
2)輕型葉片可以減輕對塔筒和輪軸的負(fù)載，減少齒輪箱、傳動系統(tǒng)、軸承和基座的磨損，從而降低全生命周期成本；
3)熱塑性材料更方便進(jìn)行拆除后的熔化和回收。

在風(fēng)電行業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，很多退役葉片最終都被扔進(jìn)了垃圾填埋場，這也帶來了不容忽視的環(huán)境問題。GE可再生能源此前與環(huán)境服務(wù)公司Veolia簽署了一項(xiàng)風(fēng)機(jī)葉片回收協(xié)議。Veolia將在回收舊風(fēng)機(jī)葉片后進(jìn)行切碎處理，然后將其中的玻璃纖維和巴爾沙木等成分進(jìn)行混合，運(yùn)往水泥制造工廠，作為煤炭、沙子和粘土的替代品來生產(chǎn)硅酸鹽水泥。這種方法可以讓工業(yè)廢物“變身”水泥原材料，還有助于減少水泥行業(yè)的二氧化碳排放量。

新材料的使用和效率的提高可以實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約，而規(guī)�；�生產(chǎn)則可以進(jìn)一步幫助降本。GE和其子公司艾爾姆風(fēng)能計(jì)劃將這項(xiàng)技術(shù)規(guī)�；�生產(chǎn)，從而推向市場。

葉尖部分完成后，GE團(tuán)隊(duì)接下來還會將3D打印技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的其他部分。20多年前，GE開始在航空發(fā)動機(jī)中引入輕型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。今天，通過合作伙伴的共同努力，我們正在把更先進(jìn)的材料技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片中，以降低風(fēng)電度電成本，提高性能，并持續(xù)推動行業(yè)的綠色低碳發(fā)展。