NREL 探索新一代风力涡轮机叶片的新型制造方法

由 NREL 高级风力技术工程师德里克·贝里 (Derek Berry) 领导的国家可再生能源实验室 (NREL，美国科罗拉多州戈尔登市) 研究人员团队正在继续推进他们的新技术，通过进一步结合可回收热塑性塑料和增材制造 (AM)。这一进展得益于美国能源部先进制造办公室的资助——该奖项旨在刺激技术创新、提高美国制造业的能源生产力并促进尖端产品的制造。

今天，大多数公用事业规模的风力涡轮机叶片都具有相同的翻盖式设计：两个玻璃纤维叶片表皮用粘合剂粘合在一起，并使用一个或多个称为抗剪腹板的复合加强部件，这一过程在过去 25 年中为提高效率而优化。然而，为了使风力涡轮机叶片更轻、更长、更便宜和更有效地捕获风能——改进部分通过增加风能产量来减少温室气体排放的目标——研究人员必须完全重新考虑传统的翻盖，这是NREL 团队的主要关注点。

首先，NREL 团队专注于树脂基质材料。当前的设计依赖于热固性树脂系统，如环氧树脂、聚酯和乙烯基酯，这些聚合物一旦固化，就会像荆棘一样交联。

“一旦你用热固性树脂系统生产了刀片，你就无法逆转这个过程，”贝瑞说。 “这 [也] 使刀片难以回收。”

与 NREL 复合材料制造教育和技术 (CoMET) 设施的先进复合材料制造创新研究所（IACMI，美国田纳西州诺克斯维尔）合作，多机构团队开发了使用热塑性塑料的系统，与热固性材料不同，它可以加热以分离原始聚合物，从而实现报废 (EOL) 可回收性。

热塑性叶片部件也可以使用热焊接工艺连接起来，这样可以消除对粘合剂（通常是沉重且昂贵的材料）的需求，从而进一步提高叶片的可回收性。

“通过两个热塑性叶片组件，您可以将它们组合在一起，并通过施加热量和压力将它们连接起来，”Berry 说。 “你不能用热固性材料做到这一点。”

展望未来，NREL 与项目合作伙伴 TPI Composites（美国亚利桑那州斯科茨代尔）、Additive Engineering Solutions（美国俄亥俄州阿克伦）、Ingersoll Machine Tools（美国伊利诺伊州罗克福德）、范德比尔特大学（诺克斯维尔）和 IACMI , 将开发创新的叶片核心结构，以经济高效地生产高性能、超长叶片——长度超过 100 米——重量相对较低。

研究团队表示，通过使用 3D 打印，它可以生产出现代化涡轮叶片所需的各种设计，在涡轮叶片的结构蒙皮之间具有不同密度和几何形状的高度工程化的网状结构核心。刀片表皮将使用热塑性树脂系统进行灌注。

如果他们成功，该团队将减少涡轮叶片重量和成本 10%（或更多），生产周期时间至少减少 15%。

除了 AM 热塑性风力涡轮机叶片结构的主要 AMO FOA 奖外，两个子资助项目还将探索先进的风力涡轮机制造技术。科罗拉多州立大学（柯林斯堡）正在与欧文斯科宁（美国俄亥俄州托莱多）、NREL、阿科玛公司（普鲁萨国王，美国宾夕法尼亚州）和 Vestas Blades America（美国科罗拉多州布莱顿）作为合作伙伴。由 GE Research（美国纽约州 Niskayuna）领导的第二个项目被称为美国：添加剂和模块化转子叶片和集成复合材料组件。与 GE Research 合作的有橡树岭国家实验室（ORNL，美国田纳西州橡树岭）、NREL、LM Wind Power（丹麦科灵）和 GE Renewable Energy（法国巴黎）。