弗吉尼亞理工大學(xué)開發(fā)一種偏遠(yuǎn)地區(qū)3D打印可持續(xù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方案

南極熊導(dǎo)讀：根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)葉片平均46分鐘產(chǎn)生的電力足以為美國家庭提供整整一個(gè)月的電力。美國現(xiàn)有風(fēng)機(jī)超過70800臺(tái)，在數(shù)量上已超過水力發(fā)電，成為最大的可再生能源生產(chǎn)商之一。

△研究人員Chris Williams和Michael Bortner在3D打印風(fēng)力渦輪葉片技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展

2024年5月13日，南極熊獲悉，弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員正在利用3D打印技術(shù)來改進(jìn)風(fēng)力渦輪機(jī)的生產(chǎn)。該項(xiàng)目的重點(diǎn)是采用增材制造技術(shù)，用一種新型、可回收的熱塑性材料制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。這種方法有望徹底改變風(fēng)力渦輪機(jī)的生產(chǎn)方式，并解決與當(dāng)前制造方法相關(guān)的若干環(huán)境和物流挑戰(zhàn)。

△Alex Ryan（左）和 Cameron Jordan（右）在弗吉尼亞理工大學(xué)與Chris Williams一起工作，他解釋了大型多軸機(jī)械臂3D打印機(jī)在制作風(fēng)機(jī)葉片方面的優(yōu)勢

3D打印為清潔能源發(fā)電帶來的改變

美國能源部提供了200萬美元（約合1400萬人民幣）的資助，這筆資金是一項(xiàng)耗資7200萬美元（約合5.2億人民幣）的廣泛計(jì)劃的一部分，旨在改進(jìn)風(fēng)能技術(shù)的制造工藝，并為風(fēng)能利用開發(fā)可持續(xù)的解決方案。

傳統(tǒng)上，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片是在專門設(shè)施中使用大型模具制造的，然后通過半掛卡車運(yùn)到安裝地點(diǎn)（通常是偏遠(yuǎn)地區(qū)）。這一過程不僅涉及廣泛的規(guī)劃和物流挑戰(zhàn)，而且由于所用材料的不可回收性，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

研究團(tuán)隊(duì)旨在通過開發(fā)一種在風(fēng)力發(fā)電場現(xiàn)場3D打印風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的方法來解決這些問題。這種方法采用機(jī)器人控制的打印工藝，能夠打印出大型物體，包括比打印機(jī)本身還要大的渦輪葉片。該工藝采用了Bortner及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種新型聚合物復(fù)合材料，這種材料完全可回收利用，并具有用于葉片制造的傳統(tǒng)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的必要特性。

預(yù)計(jì)這種創(chuàng)新方法將大大減少風(fēng)力渦輪機(jī)建造過程中的浪費(fèi)，并消除有害物質(zhì)的使用。新材料的可回收性意味著，一旦渦輪葉片的生命周期結(jié)束或損壞，它們就可以被分解、再加工，并重新印制成新的葉片。這不僅增強(qiáng)了材料的可持續(xù)性，還大大減少了葉片生產(chǎn)和處置所需的能源和資源。

△Tadeusz Kosaml（左）和 Isaac Rogers（右）分析機(jī)器人3D打印的多軸運(yùn)動(dòng)路徑

跨學(xué)科合作

該項(xiàng)目還充分利用了弗吉尼亞理工大學(xué)航空航天與海洋工程系Kevin T. Crofton的專業(yè)知識(shí)，利用該校的風(fēng)洞來評(píng)估打印葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性。這種跨學(xué)科合作還延伸到了美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和TPI復(fù)合材料公司，后者提供了行業(yè)洞察力和測試能力，以確保該項(xiàng)目的研究成果具有行業(yè)相關(guān)性和可擴(kuò)展性。

增材制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究和教育（DREAMS）實(shí)驗(yàn)室主任Chris Williams強(qiáng)調(diào)，該項(xiàng)目是新技術(shù)和材料研究的融合。通過將獨(dú)特的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)與機(jī)器人打印和新型材料使用相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)有望改變風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的生產(chǎn)方式，使其更具可持續(xù)性、成本效益和現(xiàn)場制造適應(yīng)性。