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

2025年5月8日，南極熊獲悉，在美國能源部先進制造辦公室的資助下，美國國家可再生能源實驗室(NREL)的一支研究團隊正在利用可回收熱塑性塑料和 3D 打印技術(shù)制造先進的風(fēng)力渦輪機葉片。NREL的資助旨在促進技術(shù)創(chuàng)新，提高美國制造業(yè)的能源生產(chǎn)率，并促進尖端產(chǎn)品的美國制造。在 NREL 高級風(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)力渦輪機葉片都采用相同的蛤殼式設(shè)計：兩層玻璃纖維葉片蒙皮用粘合劑粘合在一起，并使用一個或多個稱為抗剪腹板的復(fù)合材料加強部件。過去25年來，這種制造工藝已針對效率進行了優(yōu)化，但實際上幾乎沒有什么變化。

為了使風(fēng)力渦輪機葉片更輕、更長、更便宜、更高效地捕獲風(fēng)能（這些改進對于拜美國政府通過增加風(fēng)能產(chǎn)量來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，美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 團隊專注于樹脂基質(zhì)材料。當(dāng)前的設(shè)計依賴于熱固性樹脂體系，例如環(huán)氧樹脂、聚酯和乙烯基酯——這些聚合物一旦固化就會像荊棘一樣交聯(lián)。

貝里說：“一旦用熱固性樹脂系統(tǒng)生產(chǎn)出葉片，就無法逆轉(zhuǎn)這一過程。這使得葉片難以回收。隨著每年安裝的風(fēng)力渦輪機越來越多，新的風(fēng)力渦輪機葉片應(yīng)該設(shè)計成可重復(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。

研究團隊與國家可再生能源實驗室復(fù)合材料制造教育與技術(shù) (CoMET) 設(shè)施的先進復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所合作，開發(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，從而實現(xiàn)報廢后的可回收性。

熱塑性葉片部件也可以采用熱焊接工藝連接，從而無需使用粘合劑（通常是重型且昂貴的材料），從而進一步提高了葉片的可回收性。

△來源：NREL。

貝里說：“有了兩個熱塑性葉片組件，你就能夠?qū)⑺鼈冋澈显谝黄穑⑼ㄟ^施加熱量和壓力將它們連接起來。而熱固性材料則無法做到這一點。”

展望未來，NREL 將與項目合作伙伴 TPI Composites、Additive EngineeringSolutions、Ingersoll Machine Tools、范德堡大學(xué)和先進復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所一起開發(fā)創(chuàng)新的葉片核心結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)高性能、超長葉片（長度超過 100 米）的經(jīng)濟高效生產(chǎn)，而且重量相對較輕。

利用3D打印技術(shù)，研究團隊可以生產(chǎn)出各種革命性的設(shè)計，以實現(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脂系統(tǒng)進行灌注。

如果成功的話，研究團隊將把渦輪葉片的重量和成本降低 10%（或更多），并將生產(chǎn)周期時間縮短至少 15%，這對風(fēng)能技術(shù)來說是一個巨大的飛躍（或旋轉(zhuǎn)）。

除了AMO FOA授予的增材制造熱塑性風(fēng)力渦輪機葉片結(jié)構(gòu)的主要資助外，還有兩個子資助項目也將探索先進的風(fēng)力渦輪機制造技術(shù)。科羅拉多州立大學(xué)正在牽頭一個項目，同樣利用3D打印技術(shù)為新型內(nèi)部風(fēng)力渦輪機葉片結(jié)構(gòu)制造纖維增強復(fù)合材料，合作伙伴包括歐文斯科寧公司、美國國家可再生能源實驗室 (NREL)、阿科瑪公司和維斯塔斯葉片美國公司。第二個項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構(gòu)包括橡樹嶺國家實驗室、美國國家可再生能源實驗室、LM風(fēng)電公司和通用電氣可再生能源公司。