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复合材料增材制造技术有望助力全球风电行业

近日,中国电力企业联合会发布《2021年上半年全国电力供需形势分析预测报告》,《报告》显示,截至6月底,全国全口径发电装机容量22.6亿千瓦,包含2021年上半年新增发电装机容量5187万千瓦。全国全口径非化石能源发电装机容量已达10.2亿千瓦,接近总量的50%!中国电力企业联合会还预测,2021年底非化石能源发电装机规模及比重将有望首次超过煤电,发展势头依旧强劲。


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到2020年底,中国风电累计并网装机2.8153亿千瓦,预计21年底达到3.3亿千瓦,增加约5000万千瓦风电新装机,占据了今年新增发电装机容量的大头。风电叶片作为风机重要的部件,为满足未来日益增长的装机需求,引入新工艺,致力于减少用料成本和时间成本,是行业研究的重心。


相比传统的叶片制造工艺,美国早已开始考虑应用增材制造技术在风电叶片中,从而实现快速、低成本的叶片模具或叶片组件的开发,这可能是下一代风电叶片中最具创新力的支持解决方案。2017年,橡树岭国家实验室就领导了一个类似项目,该项目研制出了一个50英尺长的八片复合材料叶片模具。同样在当年,美国国家可再生能源实验室开设了复合材料制造教育和技术设施,并与高级复合材料制造创新研究所和其他合作伙伴合作开展研究活动,开发了用于风电叶片制造的3D打印分段工具。


2021年1月,缅因州大学高级结构和复合材料中心(The University of Maine's Advanced Structures and Composites Center,以下简称UMASCC)宣布,他们正在参与一个由美国能源部高级制造办公室资助的280万美元的项目。该项目旨在应用复合材料增材制造技术,开发下一代风电叶片。该项目又被分为两个部分,一部分是研发更快、更利于可持续发展的叶片模具,另一部分是研发高性能、应用增材制造技术造出的叶片组件。


生物基树脂3D打印的模具


UMASCC在该项目的合作伙伴包括橡树岭国家实验室,TPI复合材料,西门子歌美飒,英格索尔机床和TechmerPM公司。在未来两年中,UMASCC及其合作伙伴将具体致力于开发3D打印的17米长模具段,这些模具段是为灌注成型120米长的叶片而制造的。开发人员将分别打印两套模具段,因此研究还包括开发组装两套模具的方法。该模具段将在UMASCC的大型3D打印机上打印,每小时可打印多达150磅的材料。其他合作伙伴则提供材料相关知识以及风电叶片制造和设计的专业知识。橡树岭国家实验室还提供了专门开发的3D打印加热元件,这些元件将自动沉积在模具中,控制模具表面的温度。


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将在UMASCC使用生物基复合材料生产的长17米的3D打印风电叶片模具段


该项目预计能缩短6个月的叶片制造和上市时间,降低25-50%的叶片成本。UMASCC的创始执行董事达格尔博士预计,他们能够在未来两年内开始使用原型叶片组件。除此之外,UMASCC也在致力于进一步开发和使用100%可回收、木质纤维强化的生物基热塑性聚合物。据说,这种材料不仅能满足所需的机械特性,其价格也比碳纤维强化ABS热塑性原料低很多(大批量购买低于每磅2美元,而碳纤维/ABS为每磅5美元)。达格尔博士强调,该项目的最终目标是应用3D打印直接生产叶片的某些组件,模具的使用也将大幅减少。


3D打印的叶片尖


除了模具之外,UMASCC及其合作伙伴针对3D打印复合材料叶片尖也在进行多项研究。


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Orbital复合材料公司,橡树岭国家实验室和UMASCC等人的团队还通过使用现场集装箱式3D打印机器人来解决制造和运输日益大型风叶片的难题


今年早些时候,橡树岭国家实验室宣布正在领导一个由美国能源部资助的,与UMASCC和Orbital复合材料公司的400万美元项目。该项目使用了Orbital复合材料公司的集装箱式3D打印机器人进行风电叶片组件的现场打印。


为了解决大型叶片(通常超过100米长)的陆上和海上运输问题,Orbital复合材料公司推出了他们的移动机器人平台。相比传统的叶片制造流程,该平台完美缓解了充满挑战的运输难题,也减少人力的介入。最终,新叶片设计的交货周期可以缩短50%以上。


无论是通过新型模具灌注出的叶片,还是通过3D打印直接制造的叶片组件,都将通过UMASCC组建的海上风电实验室进行检测。实验室会测试它们的叶片强度和疲劳老化情况,以及它们防雷击的性能。


此外,通用电气调查业务部、通用电器可再生能源公司和LM风能公司联合,与美国国防部在全球范围内展开合作,宣布了设计和制造的3D打印叶片尖的项目,橡树岭国家实验室和国家可再生能源实验室作为通用电气的合作伙伴,也应征入伍。其研发重点是降低强化热塑性塑料的成本。通用电气表示,该项目通过降低制造成本,提高了供应链的灵活性;通过使用更多可回收材料制成的重量更轻的叶片,提高陆上和海上风能的商业化竞争力。设计周期时间也能大幅缩短,届时风电场可以更有效地产生能源,从而降低风能的平准化度电成本。


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在未来两年中,通用电气与橡树岭国家实验室和国家可再生能源实验室合作,使用纤维强化热塑性复合材料,应用增材制造技术制造叶片尖


国际目前主流叶片制造工艺主要有手糊成型、模压成型、预浸料成型、拉挤成型、纤维缠绕、树脂传递模塑以及真空灌注成型等,增材制造技术的出现势必会撼动这些传统的工艺。但相比与传统的机械设备,应用增材制造技术的设备往往有着较高的自动化水平、且更加智能化,对企业的制造水平要求较高。这就需要制造业企业不仅要充分调研部署增材制造技术的可能性,还要在部署适合自己的设备和技术的前,不断思索如何实现更大程度的自动化。


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