GE混凝土3D打印風力發(fā)電機基座，復合材料3D打印葉片

導讀：葉片是風機捕捉風能的核心部件之一，它直接關系到風機的整體性能和發(fā)電效益，在整個價值鏈中處于頂層。如果將可以節(jié)約制造成本、縮短生產時間的3D打印引入葉片生產，效果會如何？

2022年4月23日，南極熊獲悉，基于在航空發(fā)動機及燃機零部件3D打印上的豐富經(jīng)驗，通用電氣旗下的再生能源公司開啟了一個新的項目，使用大型的混凝土3D機來建造風力渦輪發(fā)電機的基座，由此來減少運輸成本和人力成本。根據(jù)測算，通過將一個高度為80米的5MW風機提高至160米的高度，風電場運營商可以增加至少30%的發(fā)電量。

風能被認為是一種清潔無公害的可再生能源，隨著全球變暖等環(huán)境問題越來越嚴重，風力發(fā)電成為了一些國家的重點發(fā)展項目。為了能夠充分應用風能，風力渦輪發(fā)電機都建的比較大。建造時，需要先打地基，就是挖出一個足夠深的坑，再在其中搭建鋼筋結構，最后澆筑混凝土，整個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打印技術為基礎，進行優(yōu)化，目標是5年內實現(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力發(fā)電機的結構，實現(xiàn)創(chuàng)新。目前，渦輪風力發(fā)電機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輸，節(jié)約運輸成本，并降低風力渦輪發(fā)電機的搭建難度。

讓風機變得更高后，更輕則是下一個追求。最近，GE與美國能源部建立合作，研究使用3D打印制造風機葉片。這個為期25個月、耗資670萬美元的項目將重點研究如何通過低成本的熱塑性材料和3D打印技術制造一套風機葉片的葉尖部分。完成后，GE團隊及其合作伙伴——橡樹嶺國家實驗室和美國國家可再生能源實驗室將對產品的結構特性進行測試，并將三套葉尖安裝到風機上。

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

目前，風機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合材料制成的，而使用輕型熱塑性復合材料和3D打印的葉片則具有多項優(yōu)勢，包括：
1)輕型葉片可以帶動風機轉子產生更多動力，提高風機的發(fā)電量；
2)輕型葉片可以減輕對塔筒和輪軸的負載，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行拆除后的熔化和回收。

在風電行業(yè)迅速發(fā)展的同時，很多退役葉片最終都被扔進了垃圾填埋場，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)境服務公司Veolia簽署了一項風機葉片回收協(xié)議。Veolia將在回收舊風機葉片后進行切碎處理，然后將其中的玻璃纖維和巴爾沙木等成分進行混合，運往水泥制造工廠，作為煤炭、沙子和粘土的替代品來生產硅酸鹽水泥。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現(xiàn)成本節(jié)約，而規(guī)模化生產則可以進一步幫助降本。GE和其子公司艾爾姆風能計劃將這項技術規(guī)模化生產，從而推向市場。

葉尖部分完成后，GE團隊接下來還會將3D打印技術應用于風機葉片的其他部分。20多年前，GE開始在航空發(fā)動機中引入輕型復合材料風扇葉片。今天，通過合作伙伴的共同努力，我們正在把更先進的材料技術應用于風機葉片中，以降低風電度電成本，提高性能，并持續(xù)推動行業(yè)的綠色低碳發(fā)展。