采用3D打印技術(shù)和熱塑性塑料，NREL生產(chǎn)可回收的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片

2025年5月8日，南極熊獲悉，在美國(guó)能源部先進(jìn)制造辦公室的資助下，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的一支研究團(tuán)隊(duì)正在利用可回收熱塑性塑料和 3D 打印技術(shù)制造先進(jìn)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。NREL的資助旨在促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，提高美國(guó)制造業(yè)的能源生產(chǎn)率，并促進(jìn)尖端產(chǎn)品的美國(guó)制造。在 NREL 高級(jí)風(fēng)能技術(shù)工程師 Derek Berry 的帶領(lǐng)下，創(chuàng)新3D 打印技術(shù)有望徹底改變風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的制造方式。

如今，大多數(shù)公用事業(yè)規(guī)模的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片都采用相同的蛤殼式設(shè)計(jì)：兩層玻璃纖維葉片蒙皮用粘合劑粘合在一起，并使用一個(gè)或多個(gè)稱(chēng)為抗剪腹板的復(fù)合材料加強(qiáng)部件。過(guò)去25年來(lái)，這種制造工藝已針對(duì)效率進(jìn)行了優(yōu)化，但實(shí)際上幾乎沒(méi)有什么變化。

為了使風(fēng)力渦輪機(jī)葉片更輕、更長(zhǎng)、更便宜、更高效地捕獲風(fēng)能（這些改進(jìn)對(duì)于拜美國(guó)政府通過(guò)增加風(fēng)能產(chǎn)量來(lái)減少溫室氣體排放的目標(biāo)至關(guān)重要），研究人員必須徹底重新思考傳統(tǒng)的蛤殼式結(jié)構(gòu)。首先，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 (NREL) 團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于樹(shù)脂基質(zhì)材料。當(dāng)前的設(shè)計(jì)依賴于熱固性樹(shù)脂體系，例如環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯和乙烯基酯——這些聚合物一旦固化就會(huì)像荊棘一樣交聯(lián)。

貝里說(shuō)：“一旦用熱固性樹(shù)脂系統(tǒng)生產(chǎn)出葉片，就無(wú)法逆轉(zhuǎn)這一過(guò)程。這使得葉片難以回收。隨著每年安裝的風(fēng)力渦輪機(jī)越來(lái)越多，新的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片應(yīng)該設(shè)計(jì)成可重復(fù)利用甚至可回收利用，以防止它們損害其原本旨在助力打造的綠色經(jīng)濟(jì)。

研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室復(fù)合材料制造教育與技術(shù) (CoMET) 設(shè)施的先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所合作，開(kāi)發(fā)了使用熱塑性塑料的系統(tǒng)。與熱固性材料不同，熱塑性塑料可以加熱以分離原始聚合物，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)廢后的可回收性。

熱塑性葉片部件也可以采用熱焊接工藝連接，從而無(wú)需使用粘合劑（通常是重型且昂貴的材料），從而進(jìn)一步提高了葉片的可回收性。

△來(lái)源：NREL。

貝里說(shuō)：“有了兩個(gè)熱塑性葉片組件，你就能夠?qū)⑺鼈冋澈显谝黄�，并通過(guò)施加熱量和壓力將它們連接起來(lái)。而熱固性材料則無(wú)法做到這一點(diǎn)�！�

展望未來(lái)，NREL 將與項(xiàng)目合作伙伴 TPI Composites、Additive EngineeringSolutions、Ingersoll Machine Tools、范德堡大學(xué)和先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所一起開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的葉片核心結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高性能、超長(zhǎng)葉片（長(zhǎng)度超過(guò) 100 米）的經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)，而且重量相對(duì)較輕。

利用3D打印技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)可以生產(chǎn)出各種革命性的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的現(xiàn)代化，在渦輪葉片的結(jié)構(gòu)表層之間嵌入高度工程化的、密度和幾何形狀各異的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)芯。葉片表層將采用熱塑性樹(shù)脂系統(tǒng)進(jìn)行灌注。

如果成功的話，研究團(tuán)隊(duì)將把渦輪葉片的重量和成本降低 10%（或更多），并將生產(chǎn)周期時(shí)間縮短至少 15%，這對(duì)風(fēng)能技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的飛躍（或旋轉(zhuǎn)）。

除了AMO FOA授予的增材制造熱塑性風(fēng)力渦輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的主要資助外，還有兩個(gè)子資助項(xiàng)目也將探索先進(jìn)的風(fēng)力渦輪機(jī)制造技術(shù)�？屏_拉多州立大學(xué)正在牽頭一個(gè)項(xiàng)目，同樣利用3D打印技術(shù)為新型內(nèi)部風(fēng)力渦輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，合作伙伴包括歐文斯科寧公司、美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 (NREL)、阿科瑪公司和維斯塔斯葉片美國(guó)公司。第二個(gè)項(xiàng)目由通用電氣研究院牽頭，名為“AMERICA：增材制造和模塊化轉(zhuǎn)子葉片及集成復(fù)合材料組裝”。與通用電氣研究院合作的機(jī)構(gòu)包括橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、LM風(fēng)電公司和通用電氣可再生能源公司。